silovelek032020

СИЛОВАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

ПРИВОДЫ

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

СОФТ

WWW.POWER<E.RU

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ К ЖУРНАЛУ

№ 3’2020 ИЮНЬ

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ 12+

ISSN 2079-9322

SKiM63/93 — многоцелевой модуль IGBT SEMIKRON для транспортного и промышленного привода

Новинки компании Gaia Converter для модульных источников питания

реклама

Как разработчику РЭА быстро оценить надежность и функциональные возможности модуля питания

Установка индукционного нагрева ТВЧ для закалки шестерни

реклама

реклама

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В номере:

№ 3 (84)’2020 Главный редактор Павел Викторович Правосудов

pavel@fsmedia.ru

Зам. главного редактора Анна Соснина a.sosnina@mtu-net.ru Выпускающий редактор Наталья Новикова natalia.novikova@fsmedia.ru Технический консультант Андрей Колпаков Дизайн и верстка Дмитрий Никаноров dmitry.nikanorov@fsmedia.ru Отдел рекламы Ольга Зайцева Ирина Миленина

olga_z@fsmedia.ru irina@fsmedia.ru

Рынок

АО «Протон-Электротекс»: история успеха длиной в 25 лет . . . . . . . . .6

Силовая элементная база Ануп Бхалла (Anup Bhalla) Перевод и дополнения: Владимир Рентюк

Отдел подписки podpiska@fsmedia.ru

Вы за SiC или кремний? Часть 3. Тенденции в применении SiC в электромобилях . . . . . . . . . .10

Москва 115088, Москва, ул. Южнопортовая, д. 7, стр. Д, этаж 2 Тел. / Факс: +7 (495) 414-2132

Вадим Бардин, Денис Пьянзин, Анатолий Брагин

Санкт-Петербург 197101, Санкт-Петербург, Петроградская наб., 34, лит. Б Тел. +7 (812) 467-4585 E-mail: compitech@fsmedia.ru www.power-e.ru Республика Беларусь «ПремьерЭлектрик» Минск, ул. Маяковского, 115, 7-й этаж Тел./факс: (10-37517) 297-3350, 297-3362 Подписной индекс Каталог агентства «Роспечать» 20370 Дата выхода в свет 15.06.20 Тираж 4000 экз. Свободная цена Журнал «Силовая электроника» зарегистрирован Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций по Северо-Западному федеральному округу. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ТУ 78 - 01937 от 17.10.2016 г. Учредитель: ООО «Медиа Группа Файнстрит» Адрес редакции: 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34, литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Издатель: ООО «Медиа КиТ» 197101, СПб, Петроградская наб., д. 34, лит. Б, помещение 1-Н офис 321в

Особенности измерения блокирующего напряжения силовых транзисторов . . . . . . . . . . . . . . .16 Сергей Комаров

Семейство оптопар ACNT компании Broadcom для применения в высоковольтных решениях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 Вячеслав Мускатиньев, Михаил Тогаев, Дмитрий Немаев, Алексей Бормотов, Денис Пышков, Игорь Федяев

Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей. Часть 2. Еще раз о высокой частоте и малых токах . . . . . . . . . . . . . . . .24 Марко Хонсберг, Анастасия Шиллер Перевод и комментарии: Андрей Колпаков

SKiM63/93 — многоцелевой модуль IGBT SEMIKRON для транспортного и промышленного привода . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

Источники питания Константин Верхулевский

Новинки компании Gaia Converter для модульных источников питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4. Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Медиа КиТ». Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе. Возрастное ограничение 12+

Павел Новиков

Малогабаритные интеллектуальные инверторы специального назначения производства «Электрум АВ»: развитие и номенклатура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Ючен Янг, Уильям Хьонг Перевод: Михаил Русских

Расширение входного напряжения безоптронного изолированного обратноходового преобразователя . . . . . . . . . . . . . . .44

реклама

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА № 3 (84)’2020

Стив Робертс Editor-in-chief Pavel Pravosudov

pavel@fsmedia.ru

Managing editor Natalia Novikova

Разработка двунаправленного AC/DC-конвертера мощностью 10 кВт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 Анатолий Миронов

natalia.novikova@fsmedia.ru

Переходные отклонения в унифицированных модулях питания: проблемы и решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

Technical editor

Леонид Счислёнок

Andrey Kolpakov

Как разработчику РЭА быстро оценить надежность и функциональные возможности модуля питания . . . . . . . . . . . . . . . .60

Design and layout Dmitry Nikanorov

dmitry.nikanorov@fsmedia.ru

Приводы Advertising department

Анатолий Коршунов

Olga Zaytseva

olga_z@fsmedia.ru

Irina Milenina

irina@fsmedia.ru

Определение и поддержание оптимального скольжения при частотно-токовом способе управления асинхронным трехфазным двигателем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65

Subscription department podpiska@fsmedia.ru

Системы индукционного нагрева Дарья Мамаева, Юрий Зинин, Юрий Ройзман

Editorial office 115088, Russia,

Установка индукционного нагрева ТВЧ для закалки шестерни . . . . .70

Moscow, Juzhnoportovaja, str. D, building 7 Tel./Fax: +7 (495) 414-2132

Список рекламы 197101, Russia, St. Petersburg, Petrogradskaya Emb., b. 34 “B” Tel.

+7 (812) 467-4585

E-mail: compitech@fsmedia.ru www.power-e.ru/eng.php

Representative office in Belarus Minsk, Premier Electric Tel.: (10-37517) 297-3350, 297-3362 E-mail: murom@premier-electric.com

Вектор технолоджи, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 69 Выставка «Радиоэлектроника и приборостроение» . . . . . . . . . . . . .стр. 5 Выставка «Силовая электроника». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-я обл. Выставка «ЧипЭКСПО» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 9 Выставка «Электроника транспорт». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 19 Завод «Магнетон» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 15 Завод «Снежеть» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-я обл. Компания Квест, ООО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 40 ЛИГРА, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 47 PT Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 3 Протон-Электротекс ТД, АО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-я обл. СЕМИКРОН, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-я обл. Силовая Электроника, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 55 Элеконд, ОАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .стр. 27 Электровыпрямитель, ПАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . стр.1

реклама

Рынок

Силовая электроника, № 3’2020

АО «Протон-Электротекс»: история успеха длиной в 25 лет АО «Протон Электротекс» готовится отметить свой 25 летний юбилей. Мы попросили начальника отдела маркетинга Алексея Александровича Черкасова рассказать о том, чего удалось достигнуть за эти годы, и о планах на будущее.

— В 2021 году компания отмечает четвертьвековой юбилей. Расскажите об основных этапах ее развития.

— Все верно. В феврале будущего года компания отметит свое двадцатипятилетие — знаковое событие как для отрасли силовой электроники, так и для самой компании. АО «Протон-Электротекс» было основано в 1996 году, в не самое стабильное время для российского государства. Стоявшие у истоков компании основатели, в том числе и генеральный директор компании Александр Юрьевич Семенов, приложили немало усилий, чтобы компания смогла выйти на устойчивый курс развития отрасли. Первые проекты были связаны с разработкой и производством силовых тиристоров под ряд проектов в России. С самого начала компания ставила перед собой цель предоставления качественных

решений, что и послужило залогом дальнейшего успеха. Уже через несколько лет удалось выйти на рынок Европы, где на протяжении десятилетий развивали свой бизнес конкуренты из Германии, Великобритании, Чехии и Японии. Двадцать лет назад мировой рынок был для нас новым и неизведанным, менталитет и подход к ведению бизнеса значительно отличались от российского. Но это не помешало АО «Протон-Электротекс» адаптироваться под требования, которые предъявляли иностранные клиенты к силовым полупроводникам. Уже через несколько лет наша компания заслужила как доверие у крупных отраслеобразующих клиентов, так и уважение со стороны конкурентов. Сейчас «Протон-Электротекс» — известный и уважаемый бренд не только в Европе, но и на мировом рынке силовых полупроводниковых приборов.

— Какие достижения компании на российском и мировом рынках можно отметить?

— Достижений у компании за четверть века накопилось немало. Каждый год создается новая продукция и совершенствуются уже выпускаемые изделия, которые находят применение в различных отраслях. Каждый день сотрудники компании работают над тем, чтобы покорять новые высоты. В частности, одним из значимых международных проектов я считаю участие в проекте по модернизации Выборгской вставки постоянного тока. Это единственная в России вставка постоянного тока, построенная для экспорта электроэнергии из России в Финляндию. Также наша компания участвовала в восстановлении Саяно-Шушенской ГЭС. Мы предоставили наши полупроводники для ремонта энергетических установок гидроэлектростанции после аварии 2009 года. Из недавних достижений хотелось бы отметить попадание в престижный рейтинг «Техуспех-2019». Это национальный рейтинг быстрорастущих технологических компаний. АО «Протон-Электротекс» заняло первое место в категории «Экспортный потенциал» среди российских предприятий.

Алексей Александрович Черкасов, начальник отдела маркетинга

6

— Какие существующие продукты из линейки выпускаемой продукции сегодня наиболее перспективны на российском и на мировом рынке?

— Перспективы есть у многих продуктов — от тиристоров и диодов до IGBT-модулей. Все завиwww.power e.ru

Рынок

Силовая электроника, № 3’2020

сит от их конечного применения и отрасли. Но если смотреть на силовые полупроводники в целом, то, конечно, будущее за IGBTмодулями. Несмотря на то, что эта продукция уже достаточно давно на рынке, она продолжает развиваться. IGBT-модули стандартизированы как по электротехническим параметрам, так и по габаритным размерам, что делает их очевидным выбором при разработках в различных отраслях. Инженеры по всему миру ведут работы по совершенствованию существующих и разработке новых форм-факторов. Специалисты АО «ПротонЭлектротекс» в этом отношении не уступают коллегам из конкурирующих организаций. В настоящий момент многие компании уделяют большое внимание нашим модулям из серии MIDA. Это IGBT-модули в низкоиндуктивном корпусе, которые используются в новых разработках в приводной технике, ВИЭ, электромобилях. Также сейчас большое внимание производителей обращено на продукцию на базе карбида кремния, поскольку этот материал позволяет работать конченым устройствам на более высоких частотах, при этом имея более компактные размеры. Для многих производителей электротехнического оборудования размер устройства играет большую роль. Однако в этом направлении по-прежнему есть свои нюансы, которые пока не позволяют SiC-приборам на полных правах конкурировать с IGBT, но работы ведутся, и в будущем наступит момент, когда SiC начнет «откусывать» от «пирога» Si-приборов.

— Какие решения на данном этапе позволяют компании выпускать продукцию, успешно конкурирующую на зарубежных рынках? Какие решения в планах реализации?

— Да, действительно, сегодня наша компания успешно конкурирует на зарубежных рынках. Так, доля экспорта в общих продажах компании превышает 60%. Наше производство оснащено передовым оборудованием, технологии совершенствуются, персонал проходит обучение и стажировки. К нам часто с аудитом приезжают крупные заказчики, которые также помогают совершенствовать существующие производственные процессы. Для нас аудит — это отличная возможность показать свои достижения, поделиться опытом и узнать что-то новое. В компании организованы проектные команды, которые ведут работы по модернизации практически всех направлений. Этот процесс постоянный. В этом и кроется наш успех. Мировой рынок уже давно убедился в качестве бренда «Протон-Электротекс», поэтому нам доверяют не только малые и средние предприятия, но и гиганты рынка — ABB, Schneider Electric, Siemens, General Electric.

— Да, этот проект мы начали еще в прошлом году и в прошлом месяце официально открыли к нему доступ. Это наша собственная разработка, чем мы особенно гордимся. Все участники данного проекта вложили в него душу. Одна из основных задач вебприложения — облегчить разработчикам процесс проектирования преобразователей на базе IGBT-модулей производства АО «Протон-Электротекс». Данное программное обеспечение предназначено для проведения расчета тепловых потерь при заданных режимах работы. Пользователь может выбрать один из IGBT-модулей, выпускаемых компанией, указать схему, для которой задать входные данные по напряжению шины DC, выходной частоте, нагрузке на фазах и другие параметры. В настоящий момент расчеты можно проводить по пяти схемам, но мы намерены и дальше развивать это приложение, а потому в дальнейшем функционал будет только увеличиваться.

— Какие проблемы назрели в отрасли в связи с ситуацией на мировых финансовых рынках, а также пандемией? Какие решения

вы видите: на уровне законодательных и регулирующих органов, на уровне бизнеса?

— Несмотря на то, что уже сейчас жители стран Европы и Азии возвращаются к нормальному ритму жизни, не стоит ожидать этого от экономики. За несколько прошедших месяцев мировой экономике был нанесен масштабный урон, и для ее восстановления понадобится не один год. Если говорить о рынке электротехники, то сложно определить, когда мировой электротехнический рынок вернется к показателям докризисного периода. Сейчас можно точно сказать, что последствия не заставят себя ждать и уже во второй половине года рынок электротехники в большей мере начнет ощущать последствия распространения вируса. Многие крупные игроки рынка уже изменили свои прогнозы на ближайшие 6–12 месяцев в худшую сторону, поэтому скорого восстановления ожидать не приходится. Помимо всего прочего, из-за нефтяных войн курс рубля в очередной раз ослаб по отношению к мировым валютам, что отразится на стоимости комплектующих, часть которых нам по-прежнему приходится закупать в странах Европы и Азии. Несмотря на различные программы, направленные на импортозамещение, до сих пор большой

— Вы объявили о запуске веб-приложения для расчета тепловых режимов IGBT. Расскажите о данном приложении: каковы его задачи, возможности и что получает потребитель? www.power e.ru

7

Рынок

Силовая электроника, № 3’2020

объем комплектующих материалов, производимых в России, либо не дотягивает по качеству, либо вовсе отсутствует на рынке. В этой ситуации любые меры со стороны законодательных и регулирующих органов, направленные на поддержку экспортоориентированных компаний и повышение конкурентоспособности, были бы восприняты с большим энтузиазмом.

— Затрагивая экономическую обстановку в стране, можно вспомнить заявления высшего руководства страны о возможностях для высокотехнологичного бизнеса, имеющего мировые рынки сбыта своей продукции. Вы, экспортируя более 60% продукции и пройдя уже не первое экономическое потрясение в стране и мире, имеете непосредственный опыт развития высокотехнологичного бизнеса в подобных ситуациях.

— Такие заявления действительно имели место, но по факту до сих пор какой-то ощутимой, реальной поддержки со стороны правительства наша компания так и не получила. АО «Протон-Электротекс» является частной организацией, и на протяжении всего своего существования развитие компании осуществлялось исключительно за счет собственных, вырученных с продаж средств и кредитных линий. К сожалению, несмотря на уникальность производимой продукции, высокотехнологичность производства, десятки наград и премий, без поддержки правительства будет не так просто развивать столь перспективное и жизненно важное направление. Ведь от силовой электроники зависит

правильное и осмысленное использование электроэнергии. Невозобновляемые источники энергии невечны, поэтому уже сейчас следует думать, что мы оставим после себя будущим поколениям.

— Компания была внесена в список системообразующих организаций Орловской области. С одной стороны, это ответственность за кадры, людей, с другой — как одному из крупнейших предприятий региона, высокотехнологичных предприятий, нужно заметить, наверняка проблема дефицита квалифицированных кадров вам знакома. Как вы решаете ее?

— Действительно, согласно постановлению правительства Орловской области АО «Протон-Электротекс» имеет региональное значение и оказывает существенное влияние на занятость населения и социальную стабильность Орловской области. Сейчас в нашей

компании работают порядка 500 сотрудников. Каждый вносит неоценимый вклад в развитие и процветание компании. Дефицит квалифицированных кадров для нашей отрасли — проблема не новая. Очень тяжело найти специалистов, которые отвечали бы всем предъявляемым требованиям. Именно поэтому в нашей компании есть ряд программ, направленных на решение данной проблемы. Вот уже на протяжении многих лет мы активно сотрудничаем с Орловским государственным университетом имени И. С. Тургенева. С ранних курсов мы начинаем курировать работы перспективных студентов, частично вовлекая их в наши проекты, давая им реальный опыт разработки и производства. Так на протяжении своего обучения студенты становятся частью нашего коллектива, а после окончания переходят к нам на постоянную работу. Помимо этой программы, в нашей компании устраиваются тренинги, семинары, сотрудники посещают всевозможные отраслевые мероприятия. Существует множество способов повысить свою квалификацию и получить новые, необходимые для роста знания. Руководители подразделений имеют возможность повышать квалификацию на программах MBA и EMBA. Высококвалифицированные кадры в нашей отрасли имеют большое значение и напрямую влияют на успех компании как на национальном, так и на международном рынке. Вот почему этому вопросу мы уделяем и продолжим уделять особое внимание. Интервью провел Сергей Веретенников

Измерительные преобразователи активной мощности от ООО «НПО «Горизонт Плюс»

Компания ООО «НПО «Горизонт Плюс» (г. Истра Московской области) разработала конструкцию и освоила производство новых приборов для

8

измерения активной мощности. Измерительные преобразователи активной мощности ПИМ (далее — преобразователи) предназначены для преобразования величины активной мощности, потребляемой нагрузкой в цепях постоянного и переменного тока частотой 50 и 400 Гц, гальванически изолированных от питания и выхода, в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0–20 мА или 4–20 мА. Преобразователи предназначены для работы в составе измерительных и управляющих систем в цепях, гальванически изолированных от питания и выхода, и относятся к классу масштабных измерительных преобразователей электрических величин. Преобразователи внесены в Госреестр средств измерений РФ (Свидетельство об утверждении типа ОС.С.35.004.А № 74361). Преобразователи серии ПИМ выполняют аналого-цифровое преобразование (АЦП) мгновенных значений тока и напряжения, поданных на соответствующие входы, перемножение соответствующих цифровых кодов и выдачу ре-

зультата на цифро-аналоговый преобразователь. Гальваническая изоляция от входных цепей осуществляется применением оптопары, при передаче данных внутри преобразователя и использовании изолированного источника питания для входных каскадов. Конструктивно преобразователи выполнены в различных изолированных корпусах из ударопрочной пластмассы, на которых имеются разъемы для подключения питания и входы для напряжения и силы тока. Преобразователи: • ПИМ- … -Т -Д — устанавливается в разрыв токовой цепи; • ПИМ- … - Т -Б14 — имеет отверстие Ø14 мм для измерения тока без разрыва цепи. Оба преобразователя крепятся с помощью DINрейки; • ПИМ- … - Т- Б30 (Б40) — имеет отверстие Ø30 (40) мм и предусматривает механическое крепление на месте установки.

www.gorizont-plus.ru

www.power e.ru

реклама

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

Вы за SiC или кремний? Часть 3. Тенденции в применении SiC в электромобилях Это третья публикация, продолжающая цикл из шести статей [1], в которых рассматриваются текущие тенденции применения полупроводниковых приборов на основе карбида кремния (SiC). Цель цикла — предоставить систематизированные общие сведения по этой относительно новой, но уже вполне заслуженно завоевывающей популярность технологии и областях ее применения. Первая и вторая части цикла в авторском переводе с рядом поясняющих дополнений доступны по ссылкам [2, 3]1.

Ануп Бхалла (Anup Bhalla) Перевод и дополнения: Владимир Рентюк

Применение полупроводниковых приборов на основе SiC в преобразовании энергии электромобилей Легковые электромобили, еще совсем недавно казавшиеся некой экзотикой, демонстрируют быстрый рост производства и продаж, которые, как ожидается, получат значительное ускорение в ближайшие десять лет. Уже сейчас все крупные производители автомобилей имеют четкие планы по выпуску электромобилей как личного транспорта и активно сотрудничают со своими партнерами в поиске лучшей силовой электроники, чтобы максимизировать диапазон мощностей и минимизировать затраты. Даже такие компании, как Xiaomi и Huawei, рассматривают возможность выхода на рынок автомобилей и делают соответствующие инвестиции.

1Впервые

цикл опубликован в Power Systems Design и доступен по ссылке: www.powersystemsdesign.com/ articles/are-you-sic-of-silicon-part-1/22/14274

10

Основные приложения для устройств на основе карбида кремния (SiC), представляющие интерес в рамках предлагаемого цикла статей, показаны на рис. 1. По прогнозам, к 2030 году поставки таких компонентов применительно именно к электрическим транспортным средствам составят, если удастся преодолеть пандемию вируса COVID-19 и сопутствующий ей кризис (давайте будем оптимистами), не менее $10 млрд. Самым мощным элементом является тяговый инвертор электромобиля, который мы обсудим в следующей статье цикла. Здесь мы остановимся на двух других основных компонентах — встроенном зарядном устройстве и DC/DC-преобразователе. Кроме требований по производительности, и в первую очередь по эффективности и экономичности, они все чаще задействуют двунаправленный поток энергии и значительно выигрывают от быстрых ключей

Рис. 1. Пример использования полупроводниковых приборов на основе SiC компании UnitedSiC в электромобиле Audi E Tron GT [4] и достигаемые при этом преимущества

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

с уже встроенными в их корпуса диодами. Для удовлетворения этих потребностей полевые SiC-транзисторы уже доступны с квалификацией по требованиям стандарта AEC-Q101, что, собственно, и открывает им путь в автоиндустрию. В этой части статьи мы обсудим основные топологии и рассмотрим преимущества использования устройств на основе карбида кремния, особенно в системах с высоким напряжением аккумуляторной батареи (500–800 В). Топологии, используемые во встроенных зарядных устройствах электромобилей Поскольку бортовое или встроенное зарядное устройство (далее — ВЗУ) находится внутри автомобиля, то вполне понятно, что необходимо сокращать его объем и вес, используя топологию преобразователя, которая как максимизирует плотность мощности, так и обеспечивает высокую эффективность ее преобразования. Выбор топологии зависит в первую очередь от диапазона мощности, который в легковом пассажирском электромобиле может быть 6,6, 11 (как правило) или даже 22 кВт (как ближайший стандарт). В некоторых случаях ВЗУ может быть двунаправленным. Это означает, что такая схема не только позволяет заряжать аккумулятор от сети, но и непосредственно сам электромобиль может служить распределенным источником энергии, который возвращает энергию обратно в сеть. В данном режиме поток мощности меняется на противоположный, но пиковая рабочая мощность может быть ниже (как правило, наполовину) того, что может дать аккумулятор с текущим уровнем заряда. Но для начала рассмотрим базовые решения. На рис. 2 показаны две конфигурации встроенных зарядных устройств, предназначенных для однонаправленного потока энергии. Схема имеет две основные секции, ступень выпрямителя от внешнего источника электроснабжения и ступень преобразовате-

Таблица. Сравнение параметров МОП"транзистора компании UnitedSiC и современного транзистора с суперпереходом (Super Junction) Параметр

Символ

UF3C065040K4S

Транзистор с суперпереходом

Напряжение сток-исток, В

VDS

650

650

Номинальный рабочий ток при TC = +100 °C, А

ID

40

29

Сопротивление открытого канала при TJ = +25 °C, мОм

RDS(on)

42

40

Сопротивление открытого канала при TJ = +125 °C, мОм

RDS(on)

59

80

Сопротивление открытого канала при TJ = +175 °C, мОм

RDS(on)

58

–

Сопротивление затвора при f = 1 МГц, Ом

RG

4,5

0,85 4640

Входная емкость (VDS = 100 В, f = 100 кГц), пФ

Ciss

1500

Выходная емкость (VDS = 100 В, f = 100 кГц), пФ

Coss

200

70

Эффективная выходная емкость, связанная с энергией (VDS = 400 В), пФ

Coss(er)

146

146

Эффективная выходная емкость, связанная с временем (VDS = 400 В), пФ

Coss(er)

325

1630

Энергия, накопленная в COSS (VDS = 400 В), мкДж

Eoss

11,7

13,2

Общий заряд затвора, нКл

QG

43

93

Прямое падение напряжения диода, В

VFSD

1,5

0,9

Заряд обратного восстановления, нКл

Qrr

138

13 000

Примечание. TC — температура окружающей среды; TJ — температура полупроводникового перехода.

ля постоянного тока одного уровня в другой. Ступень выпрямителя выпрямляет напряжение сети переменного тока для формирования шины постоянного тока с единичным коэффициентом мощности. Затем ступень DC/DCпреобразования с фазовым сдвигом и полным мостом обеспечивает точно контролируемый выход для быстрой зарядки аккумуляторной батареи. Во время зарядки литий-ионной батареи схема для зарядки работает сначала в режиме стабилизации тока, затем переходит в режим стабилизации мощности и, наконец, в режим стабилизации напряжения, в котором остается до тех пор, пока батарея не зарядится до установленного значения. Для того чтобы повысить эффективность (в данном случае мы говорим о коэффициенте полезного действия — КПД) на стадии выпрямления, все более популярными становятся бездиодные топологии. Это связано с тем, что при их использовании можно избежать потерь проводимости на диодах выпрямительного моста. На рис. 2 также показана схема ККМ на основании двухтактной схемы с дросселем на входе (в англ. терминологии — Totem pole power factor corrector, TPPFC), которую можно ис-

пользовать для более низких уровней мощности. Схема может действовать в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode, CCM) или в режиме критической проводимости (Critical Conduction Mode, CrCM). Преобразователи, работающие в режиме CrCM, имеют четыре активных переключателя, как показано на рис. 2. Из них два работают на высокой частоте преобразования и два на частоте сети электропитания. Что касается режима CCM, то здесь, как известно, включение ключа затруднено, и наилучшим вариантом является использование транзистора с широкой запрещенной зоной и диодами с малым зарядом обратного восстановления Qrr. В таблице приведены параметры устройства, включая ряд характеристик антипараллельных диодов полевых транзисторов UnitedSiC по сравнению с современными кремниевыми устройствами с суперпереходом (Super Junction). Для переключения частот выше 20 кГц, как уже было сказано, необходимо использовать ключи на транзисторах с широкой запрещенной зоной, при этом стандартный драйвер затвора, который может управлять МОП-транзисторами ком-

Рис. 2. Две топологии, используемые в бортовых зарядных устройствах, предназначенных для однонаправленного потока передачи энергии

www.power e.ru

11

Силовая электроника, № 3’2020

пании UnitedSiC, упрощает переход от Super Junction-устройства к транзисторам UnitedSiC и модернизацию без переработки схемы управления ключами. Транзистор UF3C065040K4 [5] — пример каскодного полевого транзистора компании UnitedSiC, который был подробно описан в [3]. Особенность этих транзисторов состоит в том, что в одном общем корпусе вместе с нормально открытым высокопроизводительным быстродействующим полевым SiCтранзистором с управляющим p-n-переходом (JFET F3) выполняется недорогой кремниевый (Si) МОП-транзистор с рабочим напряжением 25 В. Такой дополнительный транзистор предназначен для обеспечения нормального функционирования SiC-устройства, то есть создания нормально выключенного транзистора, упрощенного управления затвором и исключения защитного диода. Данное устройство легко применимо для замены имеющихся кремниевых МОП- и IGBT-транзисторов, а также может взаимозаменяемо использоваться с SiC-транзисторами всех типов. Серия UF3C демонстрирует очень быстрое переключение, выполнена в корпусе TO-247-4L и имеет в своей структуре диод с лучшими на сегодня характеристиками обратного восстановления по сравнению с транзисторами такого рабочего напряжения и тока. Устройства серии UF3C оптимальны для переключения индуктивных нагрузок и любого иного применения, требующего стандартного драйвера затвора. Если используется режим CrCM, то пиковые токи становятся выше, что накладывает дополнительные ограничения на катушки индуктивности и требует более низкого сопротивления

Силовая элементная база ключей. Однако отсутствие жесткого включения позволяет в этом случае использовать кремниевые полевые транзисторы с суперпереходом, по крайней мере при низких напряжениях шины. Но даже в этой ситуации использование полевых SiC-транзисторов имеет смысл из-за наличия коммерчески доступных вариантов с очень низким сопротивлением и растущей конкурентоспособной ценой относительно МОП-транзисторов с аналогичным сопротивлением открытого канала. Кроме того, при переходе на полевые SiC-транзисторы компании UnitedSiC с рабочим напряжением 1200 В (они выполняются в виде стека — подробно в [3]) топология может быть расширена до более высоких напряжений шины постоянного тока, что позволит увеличить выходную мощность с минимальным числом параллельно включенных транзисторов. Что касается трехфазного двухуровневого активного выпрямителя, это отличный вариант для высоких уровней мощности, таких как 11 или 22 кВт. Напряжение на шине переменного тока в данном случае обычно составляет 600–800 В, что и требует использования транзисторов, рассчитанных на рабочее напряжение 1200 В. Кроме того, поскольку двухуровневая трехфазная схема, показанная на рис. 2, предполагает наличие ключей с низкими потерями на переключение и низким Qrr диода, это опять-таки смещает выбор в сторону полевых SiC-транзисторов вместо IGBT. На рис. 3 даны характеристики включения и отключения транзистора UF3C120040K4S UnitedSiC с сопротивлением открытого канала 35 мОм и рабочим напряжением сток-исток 1200 В. Как и UF3C065040K4, этот транзистор

выполнен в корпусе TO-247-4L. Благодаря очень низким потерям при включении и отключении эти транзисторы являются хорошим выбором для реализации активного выпрямителя с высоким КПД. Для получения большой мощности транзисторы могут без особых проблем включаться параллельно, а благодаря дополнительному выводу истока они могут предназначаться для управления по схеме Кельвина. Поскольку эта схема нейтрализует влияние паразитной индуктивности истока, то транзисторы, соответственно, будут переключаться быстрее, с меньшими потерями и более чистыми сигналами в цепи затвора, что упростит решение по уменьшению электромагнитных помех (ЭМП) и снимет вопросы по выполнению требований в части электромагнитной совместимости (ЭМС). Альтернативный подход к выпрямителю — это использование схемы Виенна-выпрямителя (Vienna Rectifier) [7], показанной на рис. 4, которая для снижения стоимости позволяет использовать более дешевые кремниевые транзисторы с суперпереходом, рассчитанные на рабочее напряжение 650 В, но вместе с SiC-диодами Шоттки. В этой схеме транзисторы не подвергаются жесткому переключению, однако количество требуемых для ее реализации полупроводников больше, а падение напряжения на диодах ограничивает возможность достижения максимальной эффективности (КПД).

DC/DC преобразователи Как было показано на рис. 2, DC/DCпреобразователь — это такая рабочая лошадка, которая используется для зарядки аккумулятора

Рис. 3. Характеристики включения и выключения для быстрого полевого транзистора UF3C120040K4S компании UnitedSiC (RDS(on)= 35 мОм, VDS = 1200 В, корпус TO"247"4L) в сравнении с аналогичным транзистором UF3C120040K3S без вывода для организации включения по схеме Кельвина (корпус TO"247"3L)

12

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

и подачи питания напряжением 12/24 В и представляет собой мостовой преобразователь со смещением фазы. При полной нагрузке эта схема работает с переключением ключей при нулевом напряжении (zero-voltageswitching, ZVS), а потери при отключении сводятся к минимуму с помощью демпфирующего конденсатора. Данная схема может работать на высоких частотах (100–300 кГц) с хорошим КПД. Низкие потери проводимости и потери при отключении, присущие полевым SiC-транзисторам, делают их здесь идеальным выбором, тем более что их требования к драйверу затвора так же просты, как и для обычных МОП-транзисторов. Все сказанное относится к каскодным полевым транзисторам UnitedSiC, которые могут управляться напряжением 0–12 В или работать от простого импульсного изолированного преобразователя с трансформатором, который выдает напряжение –12/0/12 В. Однако в условиях малой нагрузки может произойти жесткое переключение, что делает применение полевых транзисторов проблематичным, поскольку они в этом случае более склонны к отказам, вызванным восстановлением диодов, а схемы с GBT подвержены повышенным потерям. Хорошим выбором здесь становится топология LLC (индуктивность-индуктивностьемкость), показанная на рис. 5. Особенно это очевидно в случае, когда выходное напряжение фиксировано. Такая топология чаще всего встречается в DC/DC-преобразователях с фиксированным выходом, тогда как полный мост с фазовым сдвигом считается более подходящим для работы с переменным выходным напряжением. При более низких напряжениях шины в цепях коммутации LLC используются полевые

Рис. 4. Виенна"выпрямитель, который для снижения стоимости использует кремниевые МОП" транзисторы с суперпереходом, рассчитанные на рабочее напряжение 650 В, вместе с SiC"диодами Шоттки

транзисторы с быстрыми диодами. При этом из-за более высокого напряжения потери в IGBT становятся чрезмерными, и выбор здесь снова будет в пользу полевых SiC-транзисторов. Даже при более низком напряжении на шине полевые SiC-транзисторы компании UnitedSiC с рабочим напряжением 650 В предлагают преимущества очень низкого заряда затвора, малого времени, требуемого для зарядки выходной емкости, и низких потерь проводимости открытого диода, что может использоваться для повышения рабочих частот LLC в пределах 100–500 кГц. Уже сейчас компания UnitedSiC готова поставить транзисторы в корпусах TO-247-4L с сопротивлением открытого канала от 7 мОм и рабочим напряжением 650 В [8]. Для применений с ограни-

чением по размещению доступен каскодный транзистор с сопротивлением 34 мОм и номинальным рабочим напряжением 650 В, выполненный в стандартном корпусе DFN8x8 [9]. Для двунаправленного DC/DC-преобразования, показанного на рис. 6, представлены схемы с двойным активным мостом (dual active bridge, DAB) и топологией CLLC (емкостьиндуктивность-индуктивность-емкость), где на стороне выхода имеются активные коммутаторы. Для зарядки аккумулятора, поскольку выходное напряжение сильно варьируется, DAB может управляться с фиксированной шины постоянного тока путем изменения формы сигнала ШИМ затвора. Если применяется топология CLLC, то для поддержания работы вблизи резонанса для ступени DC/DC-преобразования

Рис. 5. При более низком напряжении шины в схеме топологии LLC используются полевые транзисторы с быстрыми диодами. При более высоких напряжениях потери IGBT становятся чрезмерными, и выбор склоняется в пользу полевых транзисторов на основе карбида кремния

Рис. 6. Двойной активный мост и схема CLLC с активными ключами на стороне выхода

www.power e.ru

13

Силовая электроника, № 3’2020

напряжение на шине должно изменяться путем изменения от схемы управления на ступени активного выпрямителя (ККМ с двухтактным каскадом или трехфазный двухуровневый активный выпрямитель). В любом случае для эффективного жесткого переключения в режиме инверсии возникает необходимость использовать на вторичной стороне полевые SiCтранзисторы. Для устройств зарядки электромобилей это могут быть полевые транзисторы с напряжением 650–1200 В. Однако для выходных напряжений 12/24 В могут применяться кремниевые полевые транзисторы с низким рабочим напряжением в пределах 100–150 В. Облегчение перехода между транзисторами SiC и Si технологий Благодаря присущей карбиду кремния широкой запрещенной зоне полевые SiC-транзисторы позволяют использовать улучшенные топологии и более высокие рабочие частоты преобра-

Силовая элементная база зования мощности для достижения ее высокой плотности и эффективности. Более высокая стоимость таких ключей применительно к электромобилям легко компенсируется увеличением эффективности (КПД) системы. Причем полевые транзисторы компании UnitedSiC обеспечивают ключевое преимущество совместимости со всеми типами напряжений управления затвора, поэтому их можно включать в конструкции на основе кремния, а также в конструкции SiC MOП-транзисторов без значительной переделки драйвера. Это облегчает переход для проектировщиков, поскольку они все чаще используют SiC-транзисторы, иногда просто для модернизации существующих конструкций, которые были выполнены на основе кремниевых ключей. Что нас ждет в ближайшем будущем Следующий этап развития карбидкремниевых транзисторов, вероятно, будет предусматривать интегрирование драйвера

и полевого транзистора в такие решения, как система в корпусе, например в виде полумоста с драйвером, показанным на рис. 7, с использованием 35-мОм каскодных ключей в виде стека на рабочее напряжение 1200 В, как было рассмотрено в [3]. Формы сигнала переключения такого устройства показывают очень быстрое и чистое переключение, соответственно, его можно применять в качестве стандартного блока для всех вариантов схемы, описанных в этой статье. Технология полевых SiC-транзисторов быстро совершенствуется, при этом есть надежды, что она существенно улучшит показатели качества, достигнутые в транзисторах 2020 года. В сочетании с усовершенствованиями дискретных корпусированных SiCтранзисторов и введением в практику интеллектуальных силовых модулей на их основе эти усовершенствования помогут еще больше увеличить плотность мощности, что положительно скажется на развитии электромобилестроения. Дополнительная информация по концепции мощного SiC-модуля со сверх-

а

б

Рис. 7. Пример интеграции драйвера и полевых 35"мОм каскодных транзисторов в такие решения, как модуль полумоста с рабочим напряжением 1200 В: а) изображение 12"контактного полумостового SiC"модуля SIP IPM с технологией каскодного стека компании UnitedSiC (35 мОм/1200 В, размер 31×29,5 мм); б) диаграммы включения/выключения SiC"модуля SIP IPM с технологией каскодного стека

14

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

низкой коммутационной индуктивностью доступна по ссылке [10]. Заключение В этой, третьей статье цикла мы постарались охватить целый ряд важных вопросов, кратко объяснив преимущества, которые можно увидеть с решениями на основе полевых SiCтранзисторов для их продвижения и использования в двух основных узлах современного электромобиля. Как можно видеть, SiCтранзисторы открывают пути для повышения плотности мощности и увеличения КПД зарядных устройств и повышения производительности DC/DC-преобразователей электромобилей, в том числе и двунаправленных. Улучшения достигаются за счет повышения рабочей частоты преобразования энергии и уменьшения потерь на включение/выключение. При этом полевые транзисторы компании UnitedSiC предлагают возможность их использования без значительной переработки уже существующих конструкций на основе кремния, что является важным преимуществом.

Следующая статья цикла предоставит информацию о применении полупроводниковых приборов рассматриваемой технологии в тяговых инверторах современных легковых электромобилей. Более подробную информацию по этим и другим вопросам применения SiC-транзисторов можно найти на веб-сайте компании UnitedSiC [11]. Литература 1. Bhalla A. Are you SiC of Silicon? Part 3. www. powersystemsdesign.com/articles/are-you-sicof-silicon-part-3/22/14585 2. Бхалла А. Вы за SiC или кремний? Тенденции развития и проблемы применения SiC в приложениях. Часть 1 // Силовая электроника.

2020. № 1.

3. Бхалла А. Вы за SiC или кремний? Современные тенденции применения SiCустройств и технологии корпусирования. Часть 2 // Силовая электроника. 2020. № 2.

4. Ауді Центр Віпос. www.audi.kiev.ua/novini/ aktualni-novini/audi-e-tron-gt-conzept-tretiyperedseriyniy

5. UF3C065040K4S 650V-42mΩ SiC Cascode, DATASHEET Rev. A, January 2019. United Silicon Carbide, Inc. www.unitedsic.com/ datasheets/DS_UF3C065040K4S.pdf 6. UF3C120040K4S 1200V-35mΩ SiC Cascode, DATASHEET Rev. A, January 2019, United Silicon Carbide, Inc. www.unitedsic.com/ datasheets/DS_UF3C120040K4S.pdf 7. Чаплыгин Е., Во Минь Тьинь, Нгуен Хоанг Ан. Виенна-выпрямитель — трехфазный корректор коэффициента мощности // Силовая электроника. 2006. № 1.

8. UF3C/SC SiC FETs Selector Guide. www. unitedsic.com/group/uf3c-sc-sic-fets/ 9. UF3SC065030D8S 650V-34mΩ SiC FET, Rev. B. January 2020, United Silicon Carbide, Inc. www.unitedsic.com/datasheets/DS_ UF3SC065030D8S.pdf , Роеблитц М. (Martin Roeblitz), Спенг М.

(Matthias Spang). Концепция мощного SiCмодуля со сверхнизкой коммутационной индуктивностью // Силовая электроника.

2018. № 2.

11. www.unitedsic.com

XGL3530 — экранированные силовые индукторы со сверхнизкими потерями Компания Coilcraft представляет серию XGL3530 — экранированные силовые индукторы со сверхнизкими потерями. Данная серия имеет самые низкие в отрасли DCR и потери переменного тока в широком диапазоне частот. Устройства оптимально подходят для DC/DC-преобразователей с частотой переключения от сотен килогерц до 5 МГц. Основные характеристики: • Расширенный диапазон индуктивности: 0,1–6,8 мкГн.

• Габаритные размеры: 3,5×3,2×3 мм.

• Номинальный ток: до 16,5 А с мягкими характеристиками насыщения.

• AEC-Q200 1-го класса: –40… +125 °C. • Соответствуют RoHS, не содержат галогенов. Допускается пайка при +260 °С.

www.radiant.su

реклама

www.power e.ru

15

Силовая электроника, № 3’2020

Силовая элементная база

Особенности измерения блокирующего напряжения силовых транзисторов Рассмотрены особенности измерения блокирующего напряжения и тока утечки силовых транзисторов, а также причины, которые приводят к возникновению ошибок измерения данных параметров. Представлены измеренные вольт амперные характеристики партии IGBT транзисторов, на примере которых показаны особенности отбраковки потенциально ненадежных транзисторов. Описана принципиальная схема простого измерительного устройства для определения блокирующего напряжения и тока утечки транзисторов.

Вадим Бардин, к. т. н.

markiz-bardin@yandex.ru Денис Пьянзин, к. т. н.

pyanzin-dv@yandex.ru Анатолий Брагин

bragin_av@mail.ru

16

В

мощных преобразователях электрической энергии наряду с диодами и тиристорами широко применяются силовые IGBT- и MOSFETтранзисторы. Они позволяют строить более гибкие системы управления преобразователями, что значительно улучшает их характеристики. Представленные на рынке корпусированные транзисторы могут работать при напряжениях до 2 кВ и токах до 30–50 А. Для увеличения мощности аппаратов прибегают также к групповому соединению транзисторных элементов в модули, которые способны обеспечить ток в нагрузке величиной 2 кА и более. В некоторых преобразователях в процессе работы транзисторы подвергаются различным по уровню и продолжительности перегрузкам по току и напряжению. Данные режимы характерны для сварочных инверторов, преобразователей электроподвижного состава, подъемных механизмов и ряда других устройств. Данные специфические особенности необходимо учитывать при проектировании преобразователей, прежде всего в процессе выбора транзисторов по предельным электрическим параметрам. Одним из таких параметров является предельное значение блокирующего напряжения Uбл. Если в процессе работы преобразователя величина приложенного к транзистору напряжения превысит предельно допустимый уровень Uбл.пр, то транзистор будет пробит. Специфической особенностью силовых транзисторов, предназначенных для работы в инверторных преобразователях, является наличие обратного диода, встроенного в корпус транзистора или подключенного извне. Поэтому рабочая ветвь вольтамперной характеристики транзистора (ВАХ) имеет односторонний характер, как показано на рис. 1. Для того чтобы измерить Uбл.пр, необходимо приложить к электродам «коллектор-эмиттер» испытуемого транзистора возрастающее во времени испытательное напряжение Uисп. По мере увеличения напряжения будет возрастать ток утечки Iут через транзистор. Когда ток достигнет значения Iут пр (точка критического тока «КТ» на ВАХ), необходимо

Рис. 1. Типичная ВАХ IGBT

Рис. 2. Схема порогового устройства

Рис. 3. К пояснению появления ошибок при измерениях Uбл. пр транзисторов

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

измерить Uбл.пр и снять испытательное напряжение. Момент достижения точки «КТ» можно определить, сравнивая напряжение с токового шунта Rш, включенного в цепь транзистора, с некоторым заданным пороговым уровнем Uоп (рис. 2). Данный способ оценки Uбл. пр наиболее простой и надежный, однако имеет ряд серьезных недостатков. Прежде всего — это возможность появления больших ошибок при измерениях, связанных с характером ВАХ транзисторов (рис. 3). На рис. 3 приведены ВАХ двух транзисторов одной марки, снятые при одинаковой температуре окружающей среды. При заданном уровне Iут. пр в пороговом устройстве для транзистора № 1 получим значение Uбл1, а для транзистора № 2 — U бл2. Как видно из рисунка, значение напряжения Uбл2 занижено по сравнению с реальным значением. Данную ошибку можно уменьшить, увеличив Iут. пр (увеличение Uоп в пороговой схеме на рис. 2), однако при этом повышается вероятность возникновения пробоя транзистора № 1. Сопротивление данного транзистора резко снижается, ток утечки возрастает, и при отсутствии токоограничивающего резистора в цепи транзистора в отдельных точках структуры может развиваться лавинообразный процесс нарастания тока, происходит перегрев данных зон и необратимое разрушение структуры. Другая ошибка при измерении Uбл связана с нагревом транзистора в процессе измерений. Даже при малом значении I ут, но высоком уровне приложенного напряжения в структуре транзистора выделяется некоторая мощность потерь, которая приводит к нагреву структуры и изменению ВАХ транзистора (рис. 4). На температуру транзистора влияет форма [1] (рис. 5) и величина испытательного напряжения, а также длительность процесса измерения. Длительность процесса измерения следует задавать с учетом тепловой постоянной транзистора, то есть времени установления теплового режима после включения транзистора. Это время можно оценить из графика переходного теплового сопротивления транзистора. Время установления теплового состояния корпусированных транзисторов на токи до 40 А без установки их на радиатор обычно не превышает 1–5 с [2]. В структурах некоторых транзисторов сразу при приложении испытательного напряжения появляются отдельные микроплазмы, что приводит к появлению тока утечки повышенного уровня. При увеличении испытательного напряжения количество микроплазмы быстро нарастает, соответственно, растет и ток утечки. Характер этого нарастания показан на рис. 6. В испытанной партии из 50 транзисторов оказалось пять таких потенциально ненадежных приборов (номера 1–5 на рисунке). Подобные транзисторы имеют пониженный уровень блокирующего напряжения и должны быть отбракованы при комплектовании схемы преобразователя. Критерием для отбраковки может служить величина тока утечки или скорость его нарастания. www.power e.ru

Рис. 4. ВАХ транзистора FGD4536 при температуре +25 и +100 °С

а

б

в

Рис. 5. Формы испытательных напряжений: а, б) для непрерывных; в) импульсных измерений

Измерение Uбл и Iут выполнялось устройством, принципиальная схема которого приведена на рис. 7. Устройство построено на базе умножителя напряжения и позволяет формировать Uисп на испытуемом транзисторе VT1 в диапазоне 60–800 В. Величина Uисп регулируется потенциометром R2, а измерения Uбл и Iут выполняются вольтметром PU1 и микро-

амперметром PA1 соответственно. Пороговое устройство на компараторе DA1 сравнивает падение напряжения от Iут на сопротивлении R4 с опорным напряжением Uоп, которое задается делителем R5 и R6. При превышении напряжения с резистора R4 над Uоп на выходе DA1 формируется напряжение, которое открывает транзистор VT1, бистабильное реле K1 раз-

Рис. 6. ВАХ партии транзисторов FGD4536

17

Силовая электроника, № 3’2020

Силовая элементная база

Рис. 7. Принципиальная схема устройства для измерения Uбл транзистора на базе умножителя напряжения

мыкается, и схема отключается от питающей сети 220 В. Чтобы продолжить измерения, необходимо нажать на кнопку SA2, при этом K1 замкнется и Uисп будет подано на испытуемый транзистор. Схема источника питания для цепей +5 и +12 В на рис. 7 не приведена.

Литература 1. Ермоленко Е. А. Классификация методов измерения вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2014. № 2, 3.

2. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: СОЛОНПРЕСС, 2011.

3. Колпаков А. Особенности параллельного соединения модулей IGBT // Компоненты и технологии. 2005. № 8.

Импульсный усилитель SA110 компании APEX Microtechnology на SiC транзисторах

Компания APEX Microtechnology представила новый импульсный усилитель SA110, который является первым модулем половины H-моста, созданным с использованием карбидокремниевых полевых транзисторов с интегрированным драйвером затвора. Модуль SA110 содержит карбидокремниевые полевые транзисторы и драйвер затвора в одном корпусе. Данный гибридный импульсный усилитель имеет схему цифрового драйвера затвора, обладает очень высокой максимальной частотой

18

коммутации, равной 400 кГц, и уровнем непрерывного выходного тока 28 А. Используемые карбидокремниевые полевые транзисторы отличаются незначительными коммутационными потерями, низкими потерями проводимости, показывают более слабую температурную зависимость сопротивления открытого канала по сравнению с кремниевыми транзисторами и биполярными транзисторами с изолированным затвором. Сочетание данных транзисторов с интегрированым драйвером и контролирующей логикой сократит период разработки и сэкономит ценную площадь печатной платы для потребителей. Усилитель SA110 может работать от напряжения питания до 400 В и показывает типичную частоту коммутации 250 кГц с максимальной частотой коммутации 400 кГц. ИС производится в 12-выводном корпусе форм-фактора PSIP и имеет схему защиты от пониженного напряжения питания и схему активного подавления эффекта Миллера.

Основные характеристики усилителя SA110: • рабочее напряжение питания (амплитудное значение): 400 В; • непрерывный выходной ток: 28 А; • пиковый выходной ток: 40 А; • частота коммутации: 250 кГц (типовое значение), 400 кГц (макс.); • сопротивление открытого канала (у каждого полевого транзистора): 30 мОм (типовое значение); • внутренняя мощность рассеивания: 75 Вт на плечо (макс.); • тип корпуса: 12-выводной PSIP, вид DP, теплоотвод на тыльной стороне корпуса. Возможные области применения: • гидролокаторы; • бесщеточные электродвигатели постоянного тока; • DC/AC-инверторы для авиационной радиоэлектроники и высоконадежных разработок.

www.icquest.ru

www.power e.ru

реклама

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

Семейство оптопар ACNT компании Broadcom для применения в высоковольтных решениях В статье рассказывается о новом семействе оптопар ACNT компании Broadcom, особенностях и преимуществах применения таких устройств в высоковольтных решениях.

Сергей Комаров

Введение Оптопары семейства ACNT от компании Broadcom имеют длину пути утечки по поверхности изолятора (creepage), равную 15,2 мм, и воздушный зазор (clearance), равный 14 мм. Оптопары ACNT обеспечивают максимальное напряжение изоляции 2262 В (VIORM = 2262 VPEAK), величину перенапряжения 12 000 В (VIOTM = 12 000 VPEAK) и доступны в компактных корпусах SO-8 для поверхностного монтажа. Семейство ACNT включает несколько типов продуктов с различным функционалом и областями применения (рис. 1): • ACNT-H343 — оптопары со встроенным драйвером управления затвором; • ACNT-H61L — маломощные цифровые изоляторы со скоростью передачи до 10 Мбит/с; • ACNT-H790/H79A/H79B — изолирующие усилители с высокой линейностью для датчиков тока и напряжения; • ACNT-H870/H87A/H87B — прецизионные датчики напряжения с оптической развязкой;

• ACNT-H50L/H511 — одноканальные изоляторы со скоростью передачи до 1 Мбит/с. Примером использования продуктов семейства ACNT служит трехфазный DC/AC-инвертор,

Рис. 1. Внешний вид оптопар семейства ACNT

Рис. 2. Применение компонентов семейства ACNT Broadcom в DC/AC"инверторе

20

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

Требуемая длина пути утечки по поверхности изолятора

Рис. 3. Система преобразования солнечной энергии с рабочим напряжением 1500 В

используемый для управления двигателем в качестве нагрузки. Схема инвертора представлена на рис. 2. Места включения компонентов ACNT обозначены цветом, а ниже приведена их расшифровка и описание. Оптопары семейства ACNT просты в эксплуатации, обладают высокой степенью надежности и прекрасно подходят для применения в высоковольтных системах. Рост напряжения и требований в современных системах На рынке систем возобновляемой энергии (солнечная и ветряная энергетика), городского транспорта, а также медицинского оборудования все явственнее проступает тенденция использования технологий, требующих работы с высоким значением напряжения и при этом обеспечивающих высокую степень защиты и помехоустойчивости. Новые типы систем по преобразованию солнечной энергии повысили значение рабочего напряжения для эксплуатируемого оборудования 1000–1500 В. Данное обновление позволяет повысить степень энергоэффективности и снизить затраты за счет возможности применения большего количества солнечных панелей (PV blocks) в одной линии (панелей, соединенных последовательно). Чем длиннее линия из последовательно соединенных панелей, тем меньше необходимость создания дополнительной линии и блоков для их объ-

единения. Кроме того, более высокое постоянное напряжение на входе сокращает потери мощности в проводнике. Таким образом, система с рабочим напряжением 1500 В имеет в своем составе меньше блоков и соединений между массивами линеек солнечных панелей и инверторами, чем система с напряжением 1000 В, что сокращает начальную стоимость системы, а также стоимость ее последующего технического обслуживания. Однако одной из проблем системы с напряжением в 1500 В является потребность в обеспечении должной степени электробезопасности и соответствии существующим стандартам. Изоляция между модулем управления системой и высоковольтным оборудованием должна быть способна выдерживать всплески высокого напряжения и иметь должный уровень длины пути утечки (рис. 3). Оптроны семейства ACNT Broadcom с длиной пути утечки по поверхности изолятора, равной 15,2 мм, оптимальны для подобных систем. В сегменте преобразования ветряной энергии оптроны семейства ACNT также завоевали определенную популярность, особенно в странах Евросоюза, где в настоящий момент проводится активная политика по замене атомных электростанций на электростанции, работающие от возобновляемых источников энергии. На рис. 4 представлена система по преобразованию ветряной энергии в электрическую. В системе имеются маломощные цифровые изоляторы ACNT-

H61L со скоростью передачи до 10 Мбит/с и длиной пути утечки 15,2 мм, которые отделяют высоковольтную часть драйвера затвора IGBT от низковольтной части системы управления, а также создают развязку в цепи обратной связи. В сегменте электрических сетей контроль и обратная связь на линии распределения становятся все более востребованными. Кроме того, в подобных системах предусмотрена трехфазная сеть (более 400 В AC), которая также требует должного уровня безопасности и изоляции. Использование оптопар ACNT-H50L позволяет удовлетворить все потребности подобных систем и организовать безопасное управление и передачу данных. Еще одна область применения оптопар семейства ACNT — их использование в DC/DC-преобразователях с напряжением 1500 В для легкорельсовых и монорельсовых транспортных систем. На рис. 5 представлена схема преобразования напряжения питания для монорельса, напряжение шины составляет 1500 В. Для создания развязки между высоковольтной частью и системой управления установлено четыре цифровых изолятора. Также в схеме применено два датчика с оптической развязкой для контроля уровня напряжения и низкоскоростные изоляторы для передачи данных. Оптопары ACNT способны обеспечить высокий уровень изоляции и безопасности в среде с высоким уровнем шума.

Рис. 4. Система преобразования ветряной энергии

www.power e.ru

21

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 5. DC/DC"преобразователь напряжения питания монорельса

Новые стандарты и нормативы Результатом последнего согласования требований международных стандартов UL и IEC стало увеличение минимально допустимой длины пути утечки по поверхности изолятора для высоковольтных систем. Начиная с 2016 года стандарт UL 508C («Оборудование преобразования электроэнергии») был переведен в IEC 61800-5-1 («Системы силовых электрических приводов с регулируемой скоростью»). Согласно данному стандарту минимальная длина пути утечки для систем с напряжением 690 В AC и выше составляет 13,8 мм. Одной из областей, где данный стандарт широко распространен, является медицинское оборудование. Применение в медицинском оборудовании оптопар ACNT позволяет обеспечить должный уровень изоляции, защиты от перенапряжения, электростатических разрядов (ESD) и безопасности в целом. Данные оптопары находят применение

в системах для наблюдения за пациентами, где играют роль изолятора между платами управления и измерительной частью оборудования (замер кровяного давления, ЭКГ и т. д.), с которым пациент имеет прямой контакт и которое подвержено риску воздействия электростатического разряда. Для противодействия угрозам влияния электромагнитных помех (EMI) и ESD, а также для расширения возможностей использования медицинского оборудования в домашних условиях издана обновленная, четвертая, редакция стандарта IEC 60601-1-2, определяющая более высокие требования к защите и тестированию компонентов и оборудования (рис. 6). Изолятор ACNT-H61L, действующий в устройствах контроля состояния пациента, допускает кратковременное перенапряжение величиной до 12 000 В (VIOTM = 12 000 VPEAK), а его длина пути утечки по поверхности изолятора составляет 15 мм, что обеспечивает надежный уровень изоляции с минимальной вероятностью возникновения пробоя.

Оптопары Broadcom семейства ACNT Оптопары семейства ACNT компании Broadcom обладают высокой производительностью, соответствуют стандарту IEC 60747-5-5, имеют максимальное напряжение изоляции более 25 кВ и выдерживают скачки напряжения с формой 1,2/50 мкс (рис. 7). Критерии стандарта требуют сохранения целостности изоляционного барьера и отсутствия пробоев при испытании на частичный разряд, величина которого по итогам испытания не должна превышать 5 пКл. На рис. 7 приведен пример проведения испытаний на соответствие стандарту IEC 607475-5 для оптопары ACNT-H50L (результаты испытаний доступны в соответствующей документации на продукт).

ACNT-H343 — оптопара со встроенным драйвером управления затвором транзистора на 5 А, выпускается в компактном 15-мм корпусе SSO-8 и предназначена для применения

Рис. 6. Требования к медицинскому оборудованию и пример использования изолятора ACNT"H61L

22

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

В

мкс

мкс

Рис. 7. Прохождение теста оптопары ACNT"H50L на соответствие стандарту IEC 60747"5"5

в высоковольтных промышленных системах, включая 690-В системы управления двигателями и солнечные инверторы на 1500 В. ACNTH343 обладает синфазной помехоустойчивостью (CMTI) более 100 кВ/мкс, что предотвращает возможные сбои в работе драйвера затвора в шумной среде. ACNT-H343 имеет минимальную задержку распространения и в три раза большую скорость переключения, чем устройства предыдущего поколения, что повышает эффективность управления биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) и SiC /GaN MOSFET. ACNT-H61L — это цифровой изолятор с низким энергопотреблением и скоростью передачи данных до 10 Мбит/с. Минимальный ток светодиода изолятора составляет 4,5 мА, при этом ток потребления фотоприемника равен 2 мА во всем диапазоне рабочих температур. Выход изолятора поддерживает уровни КМОП-микросхем, а внутренний защитный экран устройства, выполненный на основе клетки Фарадея, обеспечивает гарантированную синфазную помехоустойчивость величиной 20 кВ/мкс. ACNT-H61L прекрасно подходит для связи цепей управления и высоковольтных частей преобразователей напряжения или других решений.

ACNT-H50L и ACNT-H511 представляют собой одноканальные изоляторы с транзисторным выходом и скоростью передачи до 1 Мбит/с. Независимое подключение вывода смещения фотодиода и коллектора вы-

Рис. 8. Оценочные платы на базе оптопар семейства ACNT Broadcom

ходного транзистора значительно увеличивает скорость передачи сигнала по сравнению с традиционными фототранзисторными оптронами за счет снижения емкости база-коллектор.

ACNT-H50L и ACNT-H511 находят применение в системах, где требуется организация изолированной обратной связи или создание развязки в цепи управления питанием.

ACNT-H87B (допуск ±0,5%), ACNT-H87A (допуск ±1%) и ACNT-H870 (допуск ±3%) пред-

ставляют собой прецизионные датчики напряжения с оптической развязкой. Диапазон входного напряжения датчиков составляет 0–2 В, а входной импеданс имеет значение 1 ГОм. Датчики полностью соответствуют требованиям по измерению изолированного напряжения в электронных преобразователях. При использовании стандартной схемы включения резистивный делитель масштабирует напряжение участка цепи в соответствии с входным диапазоном датчика, после чего на другой стороне изоляционного барьера создается дифференциальное выходное напряжение, пропорциональное входному значению.

ACNT-H79B (допуск ±0,5%), ACNT-H79A (допуск ±1%) и ACNT-H790 (допуск ±3%) — это изолирующие усилители с высокой линейностью для датчиков тока и напряжения. Данные компоненты обеспечивают точность и стабильность измерений, позволяя контролировать значения тока и напряжения в средах с высоким уровнем шума и тем самым обеспечивать более плавное управление двигателем или другим оборудованием. ACNTH79B, ACNT-H79A и ACNT-H790 используют аналого-цифровую модуляцию сигма-дельта (Σ-Δ) и топологию полностью дифференциальной схемы, что позволяет достичь высокого уровня подавления шума в режиме изоляции и высокой точности измерения и усиления. Клиентам Broadcom также доступны оценочные платы на базе оптопар семейства ACNT (рис. 8).

DC/DC преобразователь для монтажа на DIN рейку 480 Вт от Mean Well Компания Mean Well представляет DC/DCпреобразователи для монтажа на DIN-рейку мощностью 480 Вт серии DDR для систем повышенной мощности. Поскольку серия DDR-480 разработана для соответствия стандартам безопасности железных дорог и оборудования информационных технологий, она подходит для применения в промышленных и железнодорожных системах управления, телекоммуникационных системах и системах безопасности.

www.power e.ru

Основные характеристики: • Безвентиляторный дизайн, охлаждение за счет свободной конвекции воздуха.

• Диапазон входного напряжения: 2:1.

• Рабочий диапазон температур: –40…+80 °C. • Напряжение изоляции вход/выход: 4000 В DC. • Пиковая нагрузка: 150%.

• Параллельная работа: до 1920 Вт (3 + 1).

www.eltech.spb.ru

23

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей. Часть 2. Еще раз о высокой частоте и малых токах В статье представлены результаты анализа особенностей эксплуатации и причин выходов из строя IGBT модулей при высоких частотах коммутации.

Вячеслав Мускатиньев Михаил Тогаев Дмитрий Немаев Алексей Бормотов Денис Пышков Игорь Федяев

nicpp@elvpr.ru

Введение В 2005 году была опубликована наша первая статья, обобщившая опыт эксплуатации IGBT-модулей как отечественного, так и зарубежного производства [1]. В то время многие российские предприятия только начинали осваивать разработку преобразовательного оборудования с применением силовых IGBTмодулей, опыт был не всегда достаточным, поэтому представленные материалы оказались для них дополнительным инструментом, помогающим решить вопросы надежной эксплуатации IGBT. С тех пор IGBT-технологии ушли далеко вперед, у ведущих фирм сменилось несколько поколений чипов. Для разработчиков и производителей преобразовательной техники открыт широкий выбор IGBT в разных конструктивных исполнениях (дискретные приборы, беспотенциальные модули, прижимные модули в герметичных корпусах), охватывающих большой диапазон токов (почти до 5000 А) и напряжений (200 В — 6,5 кВ), позволяющий решить практически все требуемые задачи. Высокая конкуренция на рынке преобразовательной техники диктует теперь основное требование — снижение цены и массогабаритных размеров готового изделия при сохранении потребительских характеристик, которое заставляет «выжимать» из преобразователя и, соответственно, из силовых ключей максимум возможностей для увеличения коммутируемой мощности в расчете на единицу массы (объема) оборудования. Вопрос: MOSFET или IGBT? Одним из путей снижения себестоимости преобразователя является повышение частоты коммутации силовых ключей, что сразу влечет как уменьшение емкости фильтра питания звена постоянного тока, так и снижение массы и габаритов дросселей и трансформаторов (при их наличии). С одной стороны, вопрос повышения частоты жесткой коммутации может быть решен применением мощных МОП-транзисторов (MOSFET), однако они уступают IGBT по блокирующему напряжению (до 1500 В), номинальному току

24

на единичный ключ и статическим тепловым потерям. Силовые MOSFET массово выпускаются в малогабаритных корпусах ТО-247 и им подобных, в беспотенциальных модульных корпусах эти приборы изготовляются в очень ограниченном ассортименте и на малые токи. В маломощных преобразователях MOSFET используются давно и успешно, для применения же в мощных ПЧ МОП-транзисторы необходимо соединять параллельно, попутно решая вопросы статической и динамической симметрии, изоляции, группового охлаждения, что также отрицательно сказывается на себестоимости преобразователя. В мощных системах предпочтительны полностью управляемые силовые ключи в виде готовых модулей на необходимые ток и напряжение для исключения их параллельного и последовательного соединения. С этой точки зрения оптимальны именно IGBT. В таблице представлены сведения по оптимальным частотам коммутации в зависимости от технологии и класса по напряжению IGBT-модулей [2], выпускаемых ПАО «Электровыпрямитель». Таблица. Оптимальные частоты коммутации в зависимости от технологии и класса по напряжению IGBT"модулей, выпускаемых ПАО «Электровыпрямитель» Напряжение, В 600

1200

1700 3300 4500 6500

IGBT-технология

Диапазон оптимальных частот коммутации, кГц

NPT Low Loss

10–20

IGBT3 Trench

2–5

IGBT4 Trench

2–8

IGBT4 Fast Trench

8–20

NPT Standard

4–12

NPT Ultrafast

15–25

NPT Ultrafast с диодами Шоттки

25–50

IGBT3 Trench

1–3

IGBT4 Trench

1–5

SPT Low Loss

0,5–1,5

SPT Standard

1–2

SPT Low Loss

0,5–1

SPT Standard

0,5–1,5

SPT Low Loss

0,2–0,5

www.power e.ru

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 1. Типичные зависимости IC = f(VCEsat) IGBT

С одной стороны, оптимальной принято считать частоту коммутации, при которой суммарные статические потери энергии в IGBT и FRD равны суммарным динамическим (Eon + Eoff + Erec). Потери рассчитываются по соответствующим зависимостям (рис. 1–4), приведенным в информационных материалах (datasheets). С другой стороны, это не догма, рабочая частота может варьироваться в зависимости от решаемой задачи. Снижение рабочей частоты вплоть до нуля, когда IGBT используется в качестве ключа постоянного тока, безусловно, допустимо. Также допустима и повышенная частота коммутации. Главным условием во всех случаях является одно: не превышать предельно допу-

Рис. 3. Типичные зависимости IF = f(VF) FRD

www.power e.ru

Силовая элементная база

Рис. 2. Типичные зависимости Esw = f(IC) IGBT

стимую температуру полупроводниковой структуры в любом режиме. На низких частотах величина рабочего тока IGBT-модуля может быть и выше, чем классификационное значение, указанное в информационных материалах, при условии эффективного охлаждения, например жидкостного [3]. Казалось бы, аналогично можно поступить и для повышенных частот коммутации — снизить рабочий ток через модуль, выбрать режим охлаждения, чтобы расчетная температура кристалла была несколько меньше предельно допустимой с заданным запасом (обычно +10…+15 °C), — и достаточно! Однако все просто только на первый взгляд...

Рис. 4. Типичные зависимости Erec = f(IF) FRD

25

Силовая электроника, № 3’2020

Силовая элементная база ционных материалах на IGBT-модули всегда приводятся два значения напряжения насыщения: при комнатной и максимально допустимой температурах кристалла, и всегда в «горячем» состоянии значение VCEsat больше, чем в «холодном». Положительная температурная зависимость VCEsat и является системой обратной связи, которая обеспечивает снижение плотности тока в наиболее нагретых транзисторах, соединенных параллельно. Это относится и к единичному кристаллу IGBT, состоящему из большого числа элементарных транзисторов, и к мультичиповым модулям, и к нескольким модулям или дискретным приборам, соединенным в параллель в силовой схеме. Однако вернемся к информационным материалам. Значения VCEsat указаны при одном (классификационном) значении тока коллектор-эмиттер, который соответствует максимально допустимому постоянному току через модуль при заданной температуре корпуса (например, +80 °C). При реальной эксплуатации ток через IGBT всегда ниже классификационного (обычно 0,5–0,7 ICmax), поскольку к статическим потерям добавляются коммутационные, следовательно, растет разность температур между кристаллом и теплоотводящим элементом корпуса (основанием). И чем выше частота, тем больше вклад динамических потерь в суммарную греющую мощность.

Рис. 5. Результаты расчета температурных полей параллельно соединенных чипов IGBT

Все хорошо, если бы полупроводниковая структура нагревалась по всей площади одинаково. Обеспечение максимально равномерного нагрева полупроводникового ключа — одна из главных задач в силовой электронике, так как ее решение дает возможность эксплуатации силовых полупроводниковых приборов (СПП) при максимальной нагрузке, что также снижает суммарную себестоимость оборудования. Но нет ничего идеального, неравномерность распределения температур в силовом ключе всегда существует и связана со многими факторами. Это и разброс электрофизических параметров полупроводниковой структуры, и технологические допуски, и различная эффективность отвода тепла по площади кристалла, и взаимное влияние чипов в многокристальных модулях, и т. д. (рис. 5). Если рассматривать только IGBT, то эти СПП имеют замечательную особенность — положительный температурный коэффициент напряжения насыщения коллектор-эмиттер (VCEsat) [4]. В информа-

Рис. 6. Локальное расплавление полупроводниковой структуры IGBT в результате шнурования тока

26

Решаем задачу № 1: увеличиваем частоту и улучшаем охлаждение Применение жидкостных охладителей несколько повысит себестоимость преобразователя, при этом может позволить (в сравнении с воздушными системами) увеличить суммарную допустимую мощность потерь в IGBT в самом лучшем случае в 2–2,5 раза (при снижении температуры корпуса IGBT до комнатной температуры). Примерно в такой же пропорции можно увеличить и рабочую частоту при неизменном значении тока. Дальнейшее улучшение эффективности охлаждения, в том числе с помощью низкотемпературных испарительных и криогенных систем, повлечет за собой несоизмеримые экономические издержки. Решаем задачу № 2: увеличиваем частоту и снижаем рабочий ток Статические потери снижаются (несмотря на то, что при высокой частоте их вклад в общие потери уменьшается, их нужно учитывать), динамические — увеличиваются (с уменьшением тока потери на один период коммутации также снижаются, но суммарные коммутационные — растут с повышением частоты). Общие потери мощности остаются прежними, поэтому расчетная температура кристалла IGBT также должна остаться неизменной, при этом нельзя не учитывать один фактор, который часто оказывается решающим при малых токах коллектор-эмиттер. Речь идет об упомянутом ранее температурном коэффициенте напряжения насыщения (ТКН). Выходные вольт-амперные характеристики IGBT (рис. 1) и прямые ВАХ диодов (рис. 3) имеют точки инверсии температурных зависимостей напряжения, в которых ТКН меняет знак. Если постоянный ток через кристалл выше точки инверсии, то ТКН положительный, если ниже — отрицательный. Например, для модуля М2ТКИ-900-12КН, имеющего классификационный ток 900 А, точка инверсии соответствует току 250–270 А (рис. 1). Поэтому при токе коллектор-эмиттер менее 250 А через более нагретые области кристалла будет протекать ток большей плотности, чем в более холодных. И этот тепловой разбаланс будет тем больше, чем меньше ток через IGBT (точнее — плотность тока через полупроводниковую структуру). Поэтому фактическая температура в отдельных точках кристалла будет выше, чем расчетная. И в определенный момент, при дальнейшем повышении частоты и снижении тока, процесс локального нагрева становится лавинообразным, тепло от наиболее нагретых областей IGBT не успевает отводиться, происходит шнурование тока и точечное расплавление полупроводникового кристалла (рис. 6). Этот процесс происходит без разрушения корпуса модуля, так как пробой в большинстве подобных случаев наблюдается на одном кристалле IGBT (в мультичиповых модулях). Безусловно, при эксплуатации отрицательный ТКН не всегда приводит к фатальным последствиям. Если дополнительно снизить общую www.power e.ru

Силовая электроника, № 3’2020

расчетную (и фактическую) температуру эксплуатации IGBT, то тепло из областей локального нагрева будет успевать отводиться и распределяться по кристаллу и значительного перегрева может не произойти. Несмотря на эти рассуждения, на практике бывают случаи, когда у потребителя модули выходят из строя уже через несколько секунд после включения, не успев прогреться. Анализ показал, что они эксплуатировались при частотах на порядок выше рекомендуемых, а ток нагрузки не превышал 10% от классификационного значения. Повреждения чипов имеют вид, аналогичный показанному на рис. 6. Шнурование тока не происходит, если ТКН отрицательный, но его температурная зависимость незначительная или скважность импульсов достаточно большая. Например, диоды обратного тока в том же модуле М2ТКИ-900-12КН при типичном рабочем токе 450 А функционируют ниже точки инверсии (1650 А) при отрицательном ТКН. Однако режим работы диодов таков, что через них протекает прямой ток в течение очень малой длительности (только в течение «мертвого времени» IGBT в инверторе), далее следует процесс обратного восстановления, после чего на диоде в течение периода энергия не выделяется и происходит выравнивание температуры и отвод тепла от кристалла. Следует повторить, что диод нормально работает при оптимальных частотах коммутации. Если частота существенно повышается, то при неизменном «мертвом времени» увеличивается суммарное время нахождения диода в прямом направлении, что значительно увеличивает риск локального разогрева диода и выход его из строя [1]. В общем, повышение частоты коммутации с целью снижения общей себестоимости и массогабаритных параметров оборудования допустимо в разумных пределах, и это решение должно обязательно проверяться всесторонними испытаниями преобразователя. И все же основным критерием выбора IGBT-модуля должен быть рабочий ток модуля, который должен быть выше (в крайнем случае можно допустить незначительно ниже) точки инверсии ТКН. И только после этого можно переходить к следующим этапам проектирования преобразователя: расчетам суммарных потерь и температуры кристалла, выбору системы охлаждения и при необходимости переходу к более высокочастотным модулям с таким же классификационным током, в том числе к гибридным IGBT с диодами Шоттки или MOSFET.

Силовая элементная база Заключение Современные IGBT — силовые ключи, обладающие уникальной надежностью. Предельные температуры, указанные в информационных материалах, даны с очень солидным запасом. Большой объем исследований и экспериментов, проведенный инженерами ПАО «Электровыпрямитель» с начала освоения производства российских IGBT-модулей, показал, что IGBT могут сохранять работоспособность даже в экстремальных режимах (при надежностных исследованиях некоторые IGBT-модули сохраняли работоспособность даже при температурах кристалла выше температуры плавления припоя). Однако для надежной многолетней эксплуатации преобразовательной техники крайне важно выбрать силовые ключи, максимально соответствующие исходной задаче, в первую очередь по частотным характеристикам, с учетом особенностей охлаждения и температурных зависимостей. Тем более что выбор модулей в настоящее время есть практически для решения любых задач [2]. Коллектив разработчиков IGBT-модулей ПАО «Электровыпрямитель» всегда готов оказать всестороннюю техническую поддержку потребителей, включая выбор модулей, расчет режимов эксплуатации и охлаждения, анализ причин выходов из строя (в том числе импортных модулей) и всестороннюю помощь в решении проблем с IGBT. Разработки и исследования продолжаются... Литература 1. Бормотов А., Мартыненко В., Мускатиньев В. Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей // Компоненты и технологии. 2005. № 5.

2. www.elvpr.ru 3. Биктиев Р., Немаев Д., Мускатиньев В., Кучумова М., Мещеряков В., Гришанин А. Высокоэффективные жидкостные охладители для изделий силовой электроники // Силовая электроника. 2019. № 6.

4. Volke A., Hornkamp M. IGBT Modules. Technologies, Driver and Application, Infineon Technologies AG, 2011.

реклама

www.power e.ru

27

Силовая электроника, № 3’2020

Силовая элементная база

SKiM63/93 — многоцелевой модуль IGBT SEMIKRON для транспортного и промышленного привода Решение задач, связанных с особенностями работы тягового электропривода, требует поиска новых технологий и материалов, совершенствования производственных процессов. Важным этапом на этом пути стало внедрение компанией SEMIKRON технологий прижимного контакта и низкотемпературного спекания [2], что полностью исключило развитие усталостных процессов в паяных и сварных соединениях и обеспечило высокую стойкость к термоциклированию [3]. Практически все новые технологии SEMIKRON нашли применение при создании серии модулей SKiM63/93. Их последняя модернизация — замена алюминиевых проводников медными с алюминиевым покрытием AlCu для подключения контактного слоя чипов — позволила расширить температурный диапазон. Опыт эксплуатации силовых ключей семейства SKiM63/93 подтвердил их высокую надежность в условиях жестких воздействий окружающей среды и циклического изменения нагрузки.

Марко Хонсберг (Marco Honsberg)

У

никальным элементом конструкции SKiM63/93 (рис. 1 и 2) является ламинированная DC-шина, предоставляющая многоАнастасия Шиллер точечный доступ к чипам, установленным на изоли(Anastasia Schiller) рующей подложке. Благодаря минимизации токовых петель удалось достичь очень низкого значения расПеревод и комментарии: пределенной индуктивности контура коммутации Андрей Колпаков (Ls< 10 нГн). Индивидуальный доступ DC-цепей к каждому кристаллу заметно снижает активное соAndrey.Kolpakov@semikron.com противление силовых терминалов RCE и обеспечивает абсолютную симметрию подключения параллельных IGBT- и FWD-чипов.

Конструктив SKiM63/93 позволяет реализовать скоростные и мощностные характеристики карбидокремниевых чипов, поэтому он используется для производства гибридных модулей (Fast IGBT + SiC Шоттки). Высокоскоростные ключи необходимы, например, в DC/DC-конвертерах станций быстрой зарядки электромобилей (EV). Расположение сигнальных пружинных выводов в верхней части модуля обеспечивает простое и надежное подключение платы управления, для механической фиксации которой предназначены специальные крепежные стойки. Надежность

Рис. 1. SKiM63/93 — первые в мире силовые модули, разработанные без применения паяных соединений

28

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

а

б

в

Рис. 2. a) Конструкция модуля SKiM63/93; б) планарная шина и многоточечный доступ к силовым чипам; в) расположение пружинных сигнальных контактов

сигнальных пружинных соединений SEMIKRON подтверждена испытаниями и длительным опытом эксплуатации [3]. Элементы конструкции SKiM можно увидеть на рис. 2, в правой части которого показана низкоиндуктивная DC-шина с многоточечным подключением к силовым кристаллам (рис. 2б), а также расположение сигнальных выводов (рис. 2в). Силовая шина состоит из трех планарных слоев (DC–, DC+, АC), соединенных с изолирующей подложкой Al2O3 в зонах, находящихся рядом с чипами. Это позволяет снизить не только статические потери, но и распределенную индуктивность цепей коммутации, а также обеспечить высокую симметрию параллельных ветвей. Силовые ключи SKiM63/93 предназначены для использования в составе трехфазного тягового электропривода мощностью 60–200 кВт. Для приближения к современным конструкторским стандартам силовые терминалы имеют высоту 17 мм, а размеры корпусов (114×160 и 150×160 мм) и расположение DC- и АСвыводов соответствуют конструктиву Econo+.

зиционировании чипов IGBT и диодов (FWD). Силовые кристаллы расположены таким образом, что тепловые потери равномерно распределяются по изолирующей DBC-подложке. Это позволяет избежать концентрации зон с высокой локальной плотностью потерь. Моделирование мощности, рассеиваемой чипами IGBT и FWD, и результирующего распределения температуры на поверхности керамической подложки демонстрирует отсутствие зон перегрева, что дает возможность повысить мощность инверторной системы при минимальных требованиях к эффективности системы охлаждения. При установке «безбазовых» модулей SKiM63/93, поставляемых с предварительно нанесенной высокоэффективной термопастой на специализированный жидкостный радиатор (предлагается в качестве опции), исключается дополнительное тепловое сопротивление, вносимое базовой платой. Напомним, что медная или композитная база является обязательным элементом конструкции промышленных силовых модулей. Это обеспечивает предельно высокую плотность мощности, доступную с учетом используемых чипов. Показатели эф-

фективности описанной оптимизированной системы эквивалентны возможностям инверторов на основе модулей с непосредственным охлаждением (pin-fin), используемых главным образом в автомобильной промышленности. При этом исключается риск утечки охлаждающей жидкости, присущий конструкциям с применением pin-fin-модулей IGBT, монтируемых на радиатор с применением специальных уплотнителей. Варианты исполнения В настоящее время SEMIKRON выпускает модули SKiM63/93 с рабочим напряжением 650, 1200 и 1700 В. В компонентах платформы используются чипы IGBT/FWD последних поколений, поддерживающие оптимальное соотношение статических и динамических характеристик. Существует несколько вариантов исполнения, что позволяет выбрать силовой ключ в соответствии с конкретными условиями применения. На рис. 3–5 дано сравнение характеристик модулей на основе кремниевых чипов и гибридных силовых ключей (HSiC),

Тепловые характеристики При проектировании модулей SKiM63/93 особое внимание было уделено оптимизации тепловых характеристик. Прижимная конструкция, создающая равномерный контакт керамической DBC-подложки с теплостоком, исключает возникновение так называемого биметаллического эффекта. Отсутствие жестких связей между подложкой и радиатором позволяет снизить толщину слоя термопасты (TIM — Thermal Interface Material) до 20 мкм. Таким образом удается скомпенсировать некоторое ухудшение качества распределения тепла, связанное с отсутствием массивной базовой платы. Напомним, что при установке на теплоотвод стандартных IGBT-модулей рекомендуемая толщина слоя TIM составляет 50–100 мкм. Модули SKiM63/93 поставляются по умолчанию с предварительно нанесенной термопастой. С недавнего времени при заказе можно выбрать не только стандартный (Р12), но и новый высокоэффективный материал TIM HPTP (High Performance Thermal Paste). Конструкция внутренней DC-шины SKiM63/93 обеспечивает определенную степень свободы в поwww.power e.ru

Рис. 3. Зависимость температуры кристаллов IGBT/FWD от тока инвертора для стандартного (Si) и гибридного модуля SKiM93 с SiC"диодами Шоттки

29

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 4. Зависимость температуры кристаллов от тока инвертора для модуля с оптимизированной топологией чипов FWD при fsw = 20 кГц, VDC = 600 В

представляющих собой сочетание быстрых IGBT- и карбидокремниевых диодов. На рис. 3 сравниваются тепловые режимы инвертора на основе стандартного модуля SKiM93 c кремниевыми (Si) чипами и гибрида с применением SiC-диодов Шоттки в одинаковых рабочих режимах (fsw = 20 кГц, VDC = 600 В, cos ϕ = 0,8). Для более жестких условий применения (например, cos ϕ = –1) улучшение тепловых характеристик SKiM63/93 достигнуто за счет оптимизации топологии расположения кристаллов диодов. Результирующие характеристики при частоте коммутации 20 кГц и VDC = 600 В показаны на рис. 4.

Новые технологии и надежность модулей SKiM63/93 Высокая стойкость к термоциклированию — одно из основных требований, предъявляемых к силовым ключам, работающим в тяговых приводах. Проблема старения паяных слоев, соединяющих базовую плату, DBC-подложку и чипы в стандартных модулях IGBT, достаточно хорошо изучена [8]. Причиной термомеханических стрессов, возникающих при циклическом изменении нагрузки, становится разница коэффициентов теплового расширения (CTE) конструктивных

Рис. 5. Зависимость количества термоциклов до отказа Nf от градиента температуры ΔTj. Условия проведения теста: Tjmax = +150 °C, длительность цикла 2 с, характеристическое соотношение проводника 0,32

30

элементов: металлической базы, керамической подложки и полупроводниковых кристаллов. С течением времени происходит накопление усталости и ухудшение тепловых характеристик промежуточных связей. В первую очередь это относится к паяным соединениям, традиционно используемым в промышленных модулях. В компонентах семейства SKiM63/93, не имеющих базовой платы, данный механизм отказа практически полностью исключен. Почти все технологии силовой электроники, разработанные SEMIKRON для повышения надежности, применяются в компонентах платформы SKiM63/93. Например, внедренный SEMIKRON более 10 лет назад процесс низкотемпературного спекания [2] имеет огромный потенциал для повышения надежности соединительного слоя кристаллов. В большинстве IGBT-модулей с подложкой из оксида алюминия (Al2O3) отслоение чипов является одной из основных причин преждевременного выхода модуля из строя. Тепловое сопротивление контактного слоя, состоящего из спеченного серебра, гораздо ниже, чем у паяного соединения. Стабильный и надежный механический и тепловой контакт обеспечивается благодаря высокой температуре плавления Ag (+960 °C, что намного выше, чем у любых используемых в промышленности припоев), низкой пористости и высокой равномерности порошковой структуры. В таком материале не развиваются усталостные процессы, что позволяет получить хорошую стойкость к термоциклированию и увеличить срок службы силовых ключей. Благодаря уникальным технологическим свойствам паста из наночастиц Ag может успешно заменить традиционные мягкие и жесткие припои. Ее использование устраняет производственные этапы, необходимые для адаптации свойств припоя и технологии пайки к конкретным типам чипов и подложек. Поскольку контактная область состоит практически из чистого серебра, она имеет гораздо лучшую электрои теплопроводность, нежели любой другой материал, данная технология пригодна для всех типов кристаллов и керамик. Даже в предельных режимах качество и надежность спеченного слоя намного выше, чем у паяного соединения, поскольку серебряная паста (в отличие от припоя) работает при температурах, гораздо меньших точки плавления. Применение новой технологии позволяет повысить рабочую температуру до +300 °С, что делает процесс спекания наиболее перспективным для монтажа новых широкозонных полупроводников, в первую очередь SiC. Как видно на рис. 5, использование технологии спекания позволяет повысить стойкость к термоциклированию при градиенте температуры ΔTj = 80 K примерно в шесть раз. Благодаря этому модули SKiM63/93 являются оптимальным выбором для применения в мощных промышленных приводах, тяговых инверторах электромобилей (EV), а также в преобразователях для альтернативной энергетики. Повышение надежности силовых полупроводниковых модулей требует от производителей элементной базы дальнейшего расwww.power e.ru

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 6. Поперечное и продольное сечение медного алюминизированного (AlCu) проводника

ширения диапазона рабочих температур, что обусловлено тремя основными факторами: • высокая температура охлаждающей жидкости в гибридных и электрических транспортных средствах; • перспективы применения компонентов с широкой запрещенной зоной (например, SiC); • повышение токонесущей способности кремниевых кристаллов при работе с температурой перехода до +200 °C. С начала XXI века этой проблемой занимаются все ведущие производители силовой элементной базы. Ее решение требует значительного увеличения срока службы конструктива модуля, все материалы и соединения которого должны быть рассчитаны на надежную и долговременную работу в жестких условиях эксплуатации. В зависимости от конкретных режимов функционирования и выбранной ресурсной модели в общем случае повышение температуры чипов на каждые 25 °C требует пятикратного увеличения показателей надежности. Соответственно, для расширения диапазона рабочих температур со +150 до +200 °C ресурс силового модуля должен быть повышен в 25 раз!

Силовая элементная база

Рис. 7. Слева: измерение характеристик деформации Al" и AlCu"проводников; справа: оборудование для тестирования соосности, образец провода располагается между фиксаторами

Одним из барьеров на пути повышения надежности силовых ключей в условиях повышенных температур становятся алюминиевые проводники и их сварные соединения, традиционно используемые для подключения контактной поверхности чипов. Решением данной проблемы много лет занимается компания HERAEUS — основной поставщик материалов для производства проводниковых выводов. С начала 1980-х годов специалисты фирмы анализируют возможность применения композитов, в материалах 2007 года [5] отмечено, что стойкость к термоциклированию может быть заметно увеличена при использовании ленточных выводов из алюминизированной меди (AlCu). Данный факт привлек пристальное внимание производителей силовой элементной базы, в результате чего HERAEUS начал работы по улучшению свойств композитных проводников с круглым профилем. Поперечное и продольное сечение AlCuпровода диаметром 300 мкм показано на рис. 6. Толщина алюминиевого покрытия составляет 25–35 мкм при диаметре медного «ядра» 230– 250 мкм, объемное содержание Cu при этом

находится в диапазоне 50–70%. Столь высокая медная фракция требует точной «настройки» механических свойств проводников для каждого конкретного применения. Характеристики композита AlCu оптимизированы для ультразвуковой сварки — благодаря мягкому алюминиевому покрытию при формировании контактных площадок снижается риск повреждения кристалла. Воздействие асимметричной механической циклической нагрузки позволяет выявить разницу свойств обычных (Al) и композитных (AlCu) выводов. С этой целью отрезок проводника длиной несколько миллиметров закрепляется в специальном приспособлении и подвергается периодической нагрузке при определенном уровне пластической деформации. Для оценки результатов используется два критерия: фиксированное относительное удлинение и фиксированная рассеянная энергия. На рис. 7 относительное удлинение показано по оси Х, при этом значение энергии становится интегралом удлинения по величине приложенного усилия, соответствующего площади петли гистерезиса. Одним из

Рис. 8. Справа: кривая усталости алюминиевого и медного алюминизированного проводника (тип В) для пластической деформации; слева: для рассеянной энергии

www.power e.ru

31

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 9. Зависимость количества термоциклов до отказа Nf от градиента температуры ΔTj для спеченных чипов с проводниками Al и AlCu. Условия проведения теста: Tjmax = +150 °C, длительность цикла 2 с

параметров, характеризующих свойства тестируемых материалов, является большая величина усилия, необходимого для аналогичного удлинения алюминизированного медного проводника. Зависимость количества механических циклов, приводящих к отказу при определенном уровне нагрузки, формирует кривую усталости, показанную на рис. 8. Полученные результаты подтверждают тот факт, что вывод AlCu способен выдерживать большее количество механических стрессов до начала его разрушения, чем проводник из чистого алюминия. Технология AlCu используется в модулях семейства SKiM 63/93, предназначенных для систем, работающих с большими циклическими изменениями нагрузки (например, транспортный привод). Применение AlCu-

проводников при тщательном выборе параметров сварки позволяет примерно в четыре раза повысить стойкость к активному термоциклированию при ΔT = 80 K, как показано на рис. 9. Компоненты семейства SKiM63/93 и устройства управления На рис. 10 приведены типы выпускаемых модулей SKiM63/93 и их основные особенности. Силовые ключи имеют три класса напряжения (650, 1200 и 1700 В), исполнения для особо тяжелых условий эксплуатации отличаются применением технологии спекания чипов (Sintered) и способом подключения контактных поверхностей чипов (AlCu). На рис. 11 показаны два варианта плат адаптеров, предназначенных для управле-

ния модулями SKiM63/SKiM93, в трехфазной и полумостовой конфигурации. Адаптер фиксируется на опорных пластиковых стойках корпуса с помощью винтов, что обеспечивает надежное электрическое соединение между пружинными выводами модуля и контактными площадками печатной платы (PCB). Стандартные драйверы IGBT (SKYPER 42LJ, SKYPER 42) устанавливаются в разъемы на РСВ, где также предусмотрено монтажное пространство для монтажа резисторов затворов. В первом варианте (трехфазный инвертор — рис. 11а) на плате адаптера установлено три цифровых драйвера SKYPER42 LJ. Второй вариант адаптера с мощным драйвером SKYPER 42 (рис. 11б) предназначен для объединения затворов трех полумостовых элементов модуля SKiM63/93 и формирования полумостовой конфигурации с номинальным током, в три раза превышающим номинальное значение IC. В таком исполнении компоненты семейства SKiM являются хорошей альтернативой ключам в конструктиве PrimePack, заметно превосходя их по стойкости к термоциклированию. В обоих вариантах платы управления обеспечивают все необходимые функции безопасности: динамическую защиту от КЗ (DSCP) по напряжению насыщения IGBT, защиту от падения напряжения (UVLO) и от перегрева (ОТ). Отключение силового каскада при критическом повышении температуры осуществляется по сигналу термодатчика РТС, входящего в состав модуля SKiM63/93. Кроме того, плата адаптера формирует дифференциальный выходной сигнал, пропорциональный VDC, который может быть использован для блокировки силового каскада при перенапряжении. а

б AlCu выводы чипов диодов

AlCu выводы чипов диодов

Рис. 10. Типы модулей SKiM63/93 и их основные особенности

32

AlCu выводы чипов диодов

Рис. 11. a) Адаптерная плата Board 63/93 GD SKYPER 42LJR с тремя драйверами SKYPER 42LJ; б) адаптерная плата с драйвером SKYPER 42 для формирования полумостовой конфигурации модуля (оба адаптера доступны для SKiM63 и SKiM93)

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 3’2020

Заключение К электронным устройствам, предназначенным для работы в транспортном средстве с электрическим или гибридным приводом, предъявляются особо жесткие требования. Они должны быть легкими, компактными и в то же время способными работать в условиях экстремальных климатических и механических воздействий. В гибридных автомобилях новейших поколений используется одноконтурная система охлаждения, температура тосола в которой поддерживается на уровне +105 °С в номинальном режиме и достигает +120 °С при кратковременных перегрузках. Окружающий воздух в подкапотном пространстве может нагреваться до +125 °С, а температура чипов Tj силового модуля способна превысить значение +150 °С. Однако во время зимней стоянки кристаллы могут остывать до температур, близких к точке замерзания охлаждающей жидкости. Применение стандартных силовых модулей в условиях воздействия термоциклов со столь высоким градиентом неизбежно ведет к ранним отказам. В конструкции модулей серии SKiM63/93 воплотился 15-летний опыт производства

компонентов на основе прижимной технологии SEMIKRON. Благодаря отсутствию базовой несущей платы и использованию технологии спекания устраняются основные причины отказов силовых ключей, возникающих под воздействием термомеханических стрессов. Силовая многослойная шина модулей SKiM63/93 отличается низкой распределенной индуктивностью (LCE< 10 нГн) и омическим сопротивлением (RCC’+EE’ ≤ 0,3 мОм), что обеспечивает снижение уровня потерь и коммутационных перенапряжений. С учетом предельной температуры кристаллов +175 °C силовые ключи данного типа способны надежно работать в транспортных средствах с одноконтурной системой жидкостного охлаждения. Также в конструктиве SKiM93 выпускаются гибридные модули с антипараллельными SiCдиодами Шоттки. Внедрение технологии низкотемпературного спекания для установки силовых чипов позволило в пять раз повысить стойкость к термоциклированию и полностью исключить использование пайки. Компоненты семейства SKiM63/93 удовлетворяют самым жестким требованиям по климатическим и механическим воздействиям, предъяв-

ляемым к современным тяговым приводам электро- и гибридомобилей. Литература 1. Материалы сайта www.semikron.com 2. Колпаков А. Технология низкотемпературного спекания в силовых модулях // Новые технологии. 2009. № 7.

3. Колпаков А. Термоциклы и термоциклирование // Силовая электроника. 2006. № 2.

4. Колпаков А. Надежность прижимных соединений силовых модулей в условиях агрессивных сред // Силовая электроника. 2006. № 4.

5. Luechinger C., Loh T.-K., Oftebro K., Wong G. Composite Aluminum-Copper Ribbon bonding — Heel Reliability. Proc. IMAPS, 2007.

6. Scheuermann U., Beckedahl P. The Road to the Next Generation Power Module — 100% Solder Free Design. Proc. CIPS, 2008.

7. Ramminger S., Seliger N., Wachutka G. Reliability Model for Al Wire Bonds Subjected to Heel Crack Failures // Microelectronics Reliability. 2000. Vol. 40. Iss. 8–10.

8. Scheuermann U., Schmidt R. Impact of Solder Fatigue on Module Lifetime in Power Cycling Tests. Proc. EPE, 2011.

Новые интегрированные приводы серии IDX от maxon motor

На прошедшей в конце ноября 2019 года выставке SPS в Нюрнберге (Германия) maxon motor представил новые интегрированные приводы серии IDX. Сейчас серия представлена моделями одного габарита IDX56 в двух исполнениях по длине — M и L и с двумя номинальными напряжениями — 24 и 48 В.

В состав интегрированных приводов IDX входят бесколлекторный электродвигатель серии EC-i с установленным датчиком обратной связи на валу и контроллер положения или контроллер скорости. Все компоненты заключены в прочный промышленный корпус со степенью защиты IP65. Интегрированные приводы IDX имеют много опциональных возможностей, которые могут быть гибко сконфигурированы при заказе. Так, можно выбрать установку абсолютного или инкрементного энкодера, наличие или отсутствие тормозной муфты, наличие в составе контроллера положения или контроллера скорости, а также интерфейс, используемый для управления интегрированным приводом: промышленные шины CANopen, EtherCAT или отдельные линии ввода/вывода. Подключение к приводам IDX выполняется при помощи промышленных защищенных разъемов.

Для работы в системах, требующих большого момента и низких скоростей вращения, интегрированные приводы IDX могут быть укомплектованы редукторами серии GPX52. Этот новый типоразмер редукторов продолжает развитие семейства высокопроизводительных редукторов GPX. Редукторы GPX52 доступны в трех вариантах исполнения: A (стандартное), LN (с пониженным шумом), UP (особо производительное). Сейчас доступны редукторы с одной, двумя и тремя ступенями. В настоящее время конфигурирование приводов онлайн временно недоступно и заказ производится по запросу ООО «ИнноДрайв» — официальному дистрибьютору maxon на территории России, Республики Беларусь и Казахстана.

www.innodrive.ru

Новые двигатели maxon EC i52 250W и 420W Серия бесколлекторных двигателей EC-i, выпускаемая компанией maxon (Швейцария), пополнилась новыми устройствами. Выпущены следующие механизмы: ЕС-i52 250W Open Rotor открытой конструкции и EC-i52 420W Ventilated со встроенным вентилятором. Устройства разработаны на основе EC-i52 180W и имеют те же габаритные размеры. Благодаря открытой конструкции и наличию вентилятора удалось существенно улучшить охлаждение двигателя, что позволило значительно увеличить допустимый момент, особенно на высоких скоростях вращения. Для двигателя EC-i52 420W в вентилируемом исполнении номинальный мо-

www.power e.ru

Основные параметры новых двигателей EC-i52: Параметры

EC-i52 250W Open Rotor Новый

Номинальное напряжение, В

EC-i52 420W Ventilated Новый

EC-i52 180W

18, 24, 36, 48

Номинальная скорость, об/мин

3840–4440

3470–3990

4200–4450

Номинальный момент, мН·м

520–564

896–1040

388–412

Датчики Холла

да

Габаритные размеры

52×80 мм

мент удалось увеличить более чем в два раза по сравнению с базовой моделью EC-i52 180W. Новые двигатели могут быть поставлены в сборе с энкодерами ENC16EASY, ENC16EASY XT,

ENC16RIO. Сборки с редукторами GP52C в настоящее время доступны только по запросу.

www.innodrive.ru

33

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Новинки компании Gaia Converter для модульных источников питания Компания Gaia Converter, продвигающая принцип модульного построения источников питания и выпускающая широкую номенклатуру AC/DC и DC/DC преобразователей напряжения, постоянно расширяет ассортимент собственных изделий. В статье рассматриваются основные технические характеристики и ключевые особенности модулей, недавно появившихся в линейке компании. Преобразователи напряжения постоянного тока, рассчитанные на выходную мощность до 250 Вт, входные фильтры защиты от электромагнитных помех и неизолированные PoL регуляторы дополняют перечень ранее предлагаемой продукции и помогают в максимально короткие сроки реализовать надежное решение по организации электропитания оборудования различного назначения.

Константин Верхулевский

info@icquest.ru

34

Введение Для получения требуемого напряжения питания электронных схем инженер-разработчик в общем случае может воспользоваться двумя подходами: выполнить собственную разработку источника на основе дискретных компонентов или воспользоваться готовыми модульными преобразователями. Если брать во внимание только стоимость электронных компонентов и материалов, то дискретное решение в большинстве случаев оказывается дешевле модульного источника питания [1]. Но при этом проектирование качественных источников питания требует наличия достаточно специфического инженерного опыта у разработчиков. Особенно это заметно при создании импульсных DC/DC-преобразователей, которые имеют более сложную конструкцию, чем линейные, и должны, помимо прочего, удовлетворять требованиям по электромагнитной совместимости. Также при проектировании собственного устройства можно столкнуться с необходимостью доработок изделия, возникающей в процессе отладки, что приводит к увеличению длительности процесса. Использование модульного подхода повышает надежность и эффективность изделия, а также сокращает время вывода конечного продукта на рынок за счет упрощения процесса разработки и уменьшения количества используемых элементов. Сертификация, если таковая требуется, в этом случае тоже является проблемой производителя. Благодаря постоянному уменьшению габаритов и улучшению рабочих характеристик преобразователи в модульном исполнении все чаще заменяют решения на дискретных компонентах. Многие известные изготовители электронных компонентов, такие как VPT, International Rectifier, Vicor, Power One, XP Power и другие, включают в номенклатуру предлагаемых

решений устройства данного типа. Широкий спектр доступных модулей позволяет выбрать покупное изделие с оптимальными параметрами, а не заниматься проектированием источника питания с нуля. Одну из самых больших линеек продукции данного класса имеет компания Gaia Converter, предлагающая более 3500 модулей для аэрокосмических, военных и других применений, предъявляющих повышенные требования к надежности аппаратуры [2, 3]. Основу линейки составляют изолированные DC/DC-преобразователи мощностью 4–250 Вт и AC/DC-преобразователи с ККМ, рассчитанные на мощность 35–350 Вт. Для обеспечения соответствия требованиям регламентирующих отраслевых стандартов выпускаются вспомогательные модули. К ним относятся устройства серии FGDS, представляющие собой входные ЭМИ-фильтры с рабочими токами 2–20 А и напряжениями до 100 В, модули поддержания напряжения семейства HUGD с выходной мощностью 50–300 Вт и модули защиты от переходных процессов в соответствии со стандартами MILSTD-704, MIL-STD-1275 и DO-160, представленные сериями PGDS и LGDS. Все устройства компании подразделяются на две категории: для промышленных (Industrial) и высоконадежных (Hi-Rel) применений. Первые обеспечивают компромисс между стоимостью и техническими характеристиками, допустимые температуры эксплуатации находятся в пределах –40…+95 °C, на принадлежность к этой группе указывает наличие дополнительной буквы I в наименовании. Для преобразователей напряжения базовая гальваническая изоляция вход/выход составляет 1500 В постоянного тока, также существует возможность заказа модулей с увеличенным до 3000 В значением этого параметра (опция /Y). Вторые предназначены для работы в жестких условиях окружающей среды. Они www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

изготовлены в герметичных металлических корпусах, обладающих высокой теплопроводностью, диапазон рабочих температур расширен до –40…+105 °C. Также доступны специализированные варианты высоконадежных модулей, которые подвергаются дополнительным температурным испытаниям при –55 °С (опция /T) и ряду расширенных отбраковочных тестов по методам, изложенным в стандарте MIL-STD-883C (опция /S). Выходные тесты включают термоэлектротренировку в течение 96 ч при T = +105 °С, 30 циклов термоциклирования (–40…+105 °С с шагом 3 °С/мин), испытания на принудительный отказ в течение 160 ч при T = +85 °С и полной нагрузке, а также проверку теплостойкости при воздействии температуры +85 °С [4]. Далее будут рассмотрены новинки компании, появившиеся на рынке электронных компонентов в прошлом году. Изолированные DC/DC преобразователи Изолированные DC/DC-преобразователи производства Gaia Converter находят применение в промышленном оборудовании (энергетических комплексах, робототехнике, системах автоматизации), в авиационной наземной и бортовой аппаратуре. Эксплуатационные характеристики делают предлагаемые модули незаменимыми при проектировании источников питания оборудования железнодорожного подвижного состава, городского транспорта (трамваев, троллейбусов и метро) и т. д. В таблице 1 представлены основные параметры новых серий DC/DC-модулей компании Gaia Converter. Серии высококачественных промышленных DC/DC-модулей MGDSI-124, MGDSI-164, MGDSI-204 и MGDSI-254 состоят из одноканальных преобразователей с номинальным напряжением входа 24 В и входным диапазо-

Таблица 1. Основные параметры новых DC/DC"преобразователей компании Gaia Converter Параметр

MGDSI-124

Применение Выходная мощность, Вт

MGDSI-164

MGDSI-204

Промышленное 120

160

200

Количество выходных каналов 24 (9–36) 5, 12, 15, 24

5, 12

Начальная погрешность выходного напряжения, %

200

250

28 (9–45)

24 (9–36)

5, 12

12, 15

±3

±1

92

91

10,5

8,5

±2

Общая нестабильность выхода по сети, по нагрузке и по изменению температуры, % КПД, %

MGDSI-254

1

Входное напряжение, В Доступные выходные напряжения, В

MGDS-205

Высоконадежное Промышленное

±1 85–88

91

Регулировка выхода, % Uном

80–110

Прочность изоляции, В

1500

Сопротивление изоляции, МОм

100 (при 500 В)

Частота преобразования, кГц

330

Встроенный входной LC-фильтр

+

Блокировка при пониженном входном напряжении (UVLO), В

8,5

Защита от короткого замыкания (длительная)

+

Защита от перегрузки по току (OCP), % Iном

120

130

120

Защита от перенапряжения на выходе (OVP), % Uном

120

130

120

Защита от перегрева (OTP), °C

110

120

110

Возможность внешней синхронизации

–

+

–

Дистанционное вкл./выкл.

+

Компенсация падения выходного напряжения (функция Sense)

+

Плавный запуск Наработка на отказ, ч (при +40 °C)

+ 765 000

Размер корпуса, мм

ном 4:1. Рассчитанные на максимальную мощность 120–250 Вт, они обеспечивают выходные напряжения из стандартного ряда: 5, 12, 15 или 24 В с начальной точностью установки ±2% и величиной выходного шума, не превышающей 300 мВ (п-п) для самой старшей модели. Преобразователи отличаются достаточно хорошими точностными показателями: общая нестабильность выхода по сети, по нагрузке и по изменению рабочей темпе-

61×39×12,9

НД 57,9×36,9×12,9

61×39×12,9

ратуры не превышает ±1% для всех моделей. Высоконадежные преобразователи серии MGDS-205 с выходной мощностью 200 Вт обладают входным диапазоном 9–45 В, в зависимости от модели на выходе доступны 5 или 12 В постоянного тока. Внутренняя структура представителей серии показана на рис. 1. Встроенный помехоподавляющий LCфильтр на входе обеспечивает снижение уровня кондуктивных помех со стороны питающей

Рис. 1. Упрощенная структурная схема DC/DC"преобразователя серии MGDS"205

www.power e.ru

35

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

сети. Схема плавного запуска ограничивает пусковой ток во время включения и способствует увеличению срока службы устройства. Высокая частота преобразования (330 кГц) минимизирует уровень выходного шума, а оригинальные алгоритмы работы схемы коммутации позволяют получить эффективность преобразования энергии до 92%. Модули данных серий не имеют оптической развязки в цепях обратной связи, гальваническая изоляция между входом и выходом составляет не менее 1500 В постоянного тока. Для устройств промышленного назначения типовые значения среднего времени наработки на отказ (MTBF) составляют 765 тыс. ч при температуре +40 °C и 250 тыс. ч при температуре +70 °C при условии использования в стационарном наземном оборудовании. Конструктивно каждый преобразователь данных серий доступен в низкопрофильном металлическом анодированном корпусе промышленного форм-фактора 1/4 brick, предназначенном для установки в отверстия печатной платы. Выводы никелевые, с золотым покрытием. Для оптимального рассеивания мощности осуществляется герметизация при помощи двухкомпонентного теплопроводящего состава. Габаритные размеры корпуса не превышают 61×39×12,9 мм, его внешний вид показан на рис. 2. Все модули серий обязательно содержат полный набор сервисных и защитных функций, необходимых для безопасной эксплуатации и расширения возможностей их практического использования.

Интегрированная схема блокировки при пониженном (UVLO, Input Undervoltage Lockout) напряжении на входе гарантирует, что низкое напряжение входной шины не приведет к внештатной работе модуля (рис. 3а). При работе схемы напряжение питания постоянно измеряется и сравнивается с заданным предельным уровнем, определяющим область безопасной работы устройства. Пороговые значения цепи UVLO заданы при изготовлении и составляют 8,5 и 10,5 В для промышленных и высоконадежных преобразователей соответственно. Обратный запуск происходит автоматически, при увеличении Vвх на величину гистерезиса модуль возвращается в обычный режим работы. Гистерезис предохраняет преобразователь от включения и выключения в случае, когда напряжение источника изменяется скачкообразно. Встроенная схема защиты от перегрузки по току (OCP, Over Current Protection) срабатывает, если сопротивление нагрузки оказывается слишком малым (например, имеет место короткое замыкание), а ток превышает определенное пороговое значение, что может привести к выходу модуля из строя. Для промышленных преобразователей величина порога устанавливается на уровне 20% выше номинального выходного тока. При запуске цепи OCP преобразователь переходит в пульсирующий (hiccup mode) режим работы, в котором он периодически включается на время T d, чтобы определить наличие перегрузки, и выключается, если это подтверждается (рис. 3б). Длительности Td и Th зависят от входного напряжения и температуры эксплуатации. После уменьшения выходного тока ниже заданного порога модуль автоматически перезапускается в режиме плавного старта. Защита от перегрева (OTP, Over Temperature Protection) повышает живучесть преобразователей в условиях предельных температур. Повышение температуры преобразователя (независимо от причины) сверх предельно допустимых значений вызывает срабатывание защитного механизма — снижение тока в нагрузке или ее полное отключение. Это предотвращает дальнейшее повышение температуры и повреждение устройства. При автоматиче-

а

б

Рис. 2. Внешний вид корпуса форм"фактора 1/4 brick

ском перезапуске повторное включение модуля произойдет только после остывания. Порог температурной защиты для различных серий установлен на +110 °C (±5%) с гистерезисом 10 °C (рис. 3в). Встроенная схема защиты от превышения выходного напряжения (OVP, Output Overvoltage Protection) срабатывает, если напряжение на выходных контактах преобразователя достигает 120% от номинального значения. Причиной этого может быть, в частности, подстройка выходного напряжения, а также процесс проверки пользователем работоспособности своей аппаратуры при повышенных напряжениях питания. Сервисная функция точной подстройки полезна при необходимости установки нестандартных значений выходных напряжений. Она допускает корректировку на величину –20…+10% от номинального значения выхода простым подключением подстроечного резистора между выводом Trim и шиной питания или «землей» в зависимости от направления регулировки (рис. 4а, б). При этом попытка увеличить выходное напряжение выше 110% Vном будет безуспешной, так как сработает защита от перенапряжения. Для быстрой подборки требуемого сопротивления рекомендуется использовать многооборотные потенциометры. Номиналы сопротивлений RU и Rd рассчитываются из следующих соотношений:

где R1 = 3,9 кОм и R2 = 13 кОм — внутренние резисторы, а Vref = 2,5 B — напряжение встроенного прецизионного источника опорного напряжения. Третий способ регулировки выполняется путем изменения управляющего напряжения (рис. 4в). При этом величина выходного напряжения определяется из формулы:

в

Рис. 3. Защитные функции DC/DC"преобразователей: а) от пониженного входного напряжения; б) от перегрузки по току; в) от повышенной температуры

36

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

а

б

в

Рис. 4. Возможные варианты подстройки выходного напряжения DC/DC"модулей Gaia Converter: а) регулировка «вверх»; б) регулировка «вниз»; в) регулировка при помощи управляющего напряжения Vtrim

Функция дистанционного включения/выключения существенно повышает гибкость применения преобразователей в современных системах электропитания РЭА, требующих определенного алгоритма подачи питания к отдельным узлам. Она также полезна в случае возникновения аварийных ситуаций, когда необходимо выполнить оперативное отключение нагрузки. Выключение модуля, равнозначное отключению выходного каскада от нагрузки, выполняется подачей низкого логического уровня (0–0,5 В) относительно общего провода на вывод On/Off при помощи внешнего коммутирующего устройства: механического переключателя, дискретного биполярного или полевого транзистора, оптопары, маломощного реле и т. д. Допускается объединение модулей и использование одного сигнала управления для запуска нескольких преобразователей. Преобразователь находится во включенном состоянии, когда вход On/Off остается свободным или когда на него подается сигнал высокого уровня (5 В). Задержка включения/отключения модулей не превышает 30 мс/100 мкс соответственно. Функция Sense предназначена для компенсации падения напряжения на проводах, связывающих выход конвертера с нагрузкой, расположенной на значительном удалении. Величина падения напряжения зависит от протекающего тока, длины и ширины проводников или трасс на печатной плате. Использование измерительных входов обратной связи S+ и S–, соединенных с нагрузкой по четырехпроводной схеме, позволяет добиться требуемого напряжения непосредственно на контактах нагрузки путем регулировки выхода на величину падения. Максимальное значение напряжения, которое может быть скомпенсировано, составляет 10% от номинального выходного напряжения преобразователя. Опциональная функция Sync, доступная у высоконадежных модулей, обеспечивает возможность синхронизации внутреннего генератора внешним сигналом. Несколько преобразователей могут быть объединены между собой для работы на одной общей частоте или же подключены к внешнему источнику тактового сигнала. Частота внешнего синхросигнаwww.power e.ru

ла должна находиться в допустимых пределах 330–370 кГц. Для обеспечения надежной работы рекомендуется использовать генераторы прямоугольных импульсов с временами фронта и спада не более 20 нс.

PoL преобразователи Импульсные преобразователи постоянного тока типа PoL (Point-of-Load) являются оконечным каскадом архитектуры распределенного электропитания и размещаются в непосредственной близости с нагрузкой. Они обеспечивают стабилизированное напряжение для питания высокопроизводительного серверного, телекоммуникационного и промышленного оборудования, имеющего множество низковольтных (менее 3,3 В) и при этом сильноточных (единицы/десятки ампер) нагрузок. Примерами таких нагрузок служат микропроцессоры, сетевые и графические процессоры, ПЛИС и т. д. Неизолированные одноканальные PoLпреобразователи MPGS-14A, имеющие номинальную мощность 260 Вт, могут выдавать выходной ток до 14 А. Допустимые входные напряжения находятся в диапазоне 4,75–36 В (с учетом переходных процессов до 42 В посто-

янного тока). Номинальное выходное напряжение составляет 3,3 В, при этом оно может регулироваться в широких пределах 1,2–24 В при помощи внешнего подстроечного резистора. Начальная погрешность установки выходного напряжения составляет ±2%, его суммарная нестабильность при изменении нагрузки, входного напряжения и температуры также не превышает ±2%, в том числе при работе на нагрузку большой емкости (до 50 000 мкФ). Высокое значение КПД (97%) говорит о малых потерях при преобразовании, что позволяет разработчику решить проблему отвода тепла без применения радиатора (рис. 5). Модули MPGS-14A выпускаются компанией Gaia Converter в полностью герметизированных металлических корпусах для сквозного монтажа с размерами 27,4×19,2×8 мм, вес устройства не превышает 10 г. Диапазон рабочих температур лежит в пределах –40…+115 °C, хранение допускается при температурах до +125 °C. Так же как и изолированные DC/DCпреобразователи, модули MPGS-14A характеризуются наличием схем блокировки при пониженном входном напряжении, защиты от перегрева и ограничения выходного тока. Блок UVLO является настраиваемым,

Рис. 5. Зависимость эффективности преобразования от выходного тока для модуля MPGS"14A с выходным напряжением 12 В

37

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

пороговое значение задается путем подключения резистора между общим проводом и выводом SD_UVLO, гистерезис схемы составляет 0,8 В. Схема защиты от перегрузки по току (OCP) работает в качестве источника тока при выходном напряжении Vout< Vlim, установленном на уровне 20 В, или в пульсирующем режиме при Vout > Vlim. Порог срабатывания для обоих режимов задан по умолчанию при изготовлении (16 и 5,25 А соответственно), при необходимости возможна его регулировка подключением резистора к выводу CTRM. Для мониторинга выходного тока используется вывод CM_SHARE, напряжение на котором прямо пропорционально величине Iout. Для защиты преобразователей от перегрева в них интегрирована схема OTP, которая срабатывает при температуре кристалла более +125 °С, блокируя работу модуля. Разблокировка происходит автоматически при снижении температуры ниже +115 °С. Принцип функционирования вспомогательных схем компенсации падения выходного напряжения, дистанционного управления включением/выключением и синхронизации несколь-

ких модулей аналогичен ранее рассмотренным DC/DC-преобразователям. Динамическая регулировка выходного напряжения (функция Tracking) может потребоваться для следящего управления выходом. Источником управляющего напряжения Vtrack, подаваемого на вывод TRK, может быть, например, операционный усилитель или ЦАП. Активное выравнивание выходных токов нескольких модулей при параллельной работе на общую нагрузку обеспечивает наращивание выходной мощности системы или повышение ее надежности за счет резервирования. Для этого преобразователи соединяются между собой при помощи специальных выводов CM_SHARE. Дополнительно доступна возможность формирования очередности подачи определенных напряжений питания, а также контроля скорости нарастания выходного напряжения. Эта функция полезна при организации питания современных микропроцессоров и ПЛИС. От последовательности включения источников питания зависит вероятность возникновения опасных переходных процессов. В самом простом случае задержка включения отдельных модулей

осуществляется при помощи конденсаторов определенной емкости, соединенных с выводом SD_UVLO. На рис. 6а представлены три модуля, выходные напряжения которых заданы при помощи резисторов R1 и R2, а длительность задержки — подключением конденсаторов C1 и C2. Итоговая величина рассчитывается по формуле:

осциллограмма процесса показана на рис. 7а. Второй способ основан на регулировке скорости нарастания выходного напряжения (рис. 6б). Модули запускаются одновременно, но в зависимости от емкости конденсатора, подключенного на этот раз к выводу TRK, достигают заданного уровня за различное время (рис. 7б). Для зарядки внешнего конденсатора до напряжения порядка 0,8 В используется встроенный источник тока 10 мкА. Длительность запуска модуля и величина емкости связаны между собой формулой: ts(мс) = 0,08(22+C).

а

б

в

Рис. 6. Возможные способы организации очередности включения преобразователей

38

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

а

б

в

Рис. 7. Осциллограммы к рис. 6

При использовании последнего способа преобразователь с наибольшим выходным напряжением является ведущим и управляет остальными модулями (рис. 6в). Его выход соединяется с выводами TRK ведомых устройств через специально подобранные делители напряжения. Номиналы резисторов делителей связаны выражением:

Таблица 2. Перечень регламентирующих стандартов для ЭМИ"фильтров Gaia Converter Стандарт

MIL-STD-461D/E/F/G

Методы испытаний

Описание

CE102

Эмиссия кондуктивных помех в диапазоне 10 кГц — 10 МГц

CS101

Восприимчивость к кондуктивным помехам в диапазоне 30 Гц — 150 кГц

CS114

Восприимчивость к кондуктивным помехам в диапазоне 10 кГц — 400 МГц

CS115

Устойчивость к кратковременным импульсам напряжения

CS116

Устойчивость к затухающим синусоидальным переходным процессам

–

Эмиссия кондуктивных помех в диапазоне 15 кГц — 152 МГц

–

Устойчивость к воздействию кондуктивных помех в диапазоне 10 кГц — 400 МГц

MIL-STD-704A/D/E/F

–

Устойчивость к воздействию бросков напряжения 80 В/100 мс

MIL-STD-1275A/B/C/D

–

Устойчивость к воздействию бросков напряжения 100 В/50 мс

DO-160C/D/E/F/G

где V0slave — номинальное выходное напряжение ведомого преобразователя. Как видно на рис. 7в, увеличение выходного напряжения ведущего модуля до номинального значения ведомого приводит к активации последнего. Стоит отметить, что в этом случае преобразователи с меньшим рабочим напряжением имеют более высокий приоритет, то есть включаются в первую очередь.

Таблица 3. Основные характеристики ЭМИ"фильтров Gaia Converter Параметр

FGDS-6A-100V

Входное напряжение (ном.), В

FGDS-12A-100V 28

Диапазон входных напряжений, В

4,5–100

Ток выхода (макс.), А

6

12

Выходная мощность (макс.), Вт

160

300

Рассеиваемая мощность (макс.), Вт

1,26

5,6

Тепловое сопротивление, °С/Вт

20

Напряжение изоляции корпус-вывод (мин.), В

17 500

ЭМИ фильтры

MTBF (наземное оборудование при +40 °С), тыс. ч

1740

1720

Компоненты данного типа служат для подавления электромагнитных помех во входных цепях импульсных источников питания постоянного тока. Использование модульного подхода позволяет подобрать экономически целесообразное для конкретного устройства решение исходя из области применения и руководящих документов, регламентирующих допустимые типы и уровни паразитных воздействий. Линейка ЭМИ-фильтров Gaia Converter была расширена за счет модулей серий FGDS-6A-100V и FGDS-12A-100V, предназначенных для применений с максимальным выходным током 6 и 12 А соответственно. Они рекомендованы производителем для обеспечения требований по электромагнитной совместимости авиационных и военных стандартов DO-160 (версии C, D, E, F, G) и MIL-STD-461 (D, E, F, G). Помимо защиты от наведенных и излучаемых кондуктивных помех, создаваемых в цепях коммутации постоянного тока, они выполняют очень важную роль в ослаблении возникающих на входной шине питания импульсных выбросов напряжения. Данные фильтры способны выдерживать скачки напряжений до 80 В/100 мс (по стандарту MIL-STD-704A/D/E/F) и до 100 В/50 мс

MTBF (наземное оборудование при +70 °С), тыс. ч

950

940

MTBF (бортовое оборудование при +40 °С), тыс. ч

960

950

MTBF (бортовое оборудование при +85 °С), тыс. ч

390

380

www.power e.ru

(MIL-STD-1275A/B/C/D). Полный перечень и описание требований регламентирующих стандартов, которым соответствуют ЭМИ-фильтры Gaia Converter, представлены в таблице 2. В таблицу 3 занесены основные технические характеристики фильтров. Модули обладают широким диапазоном постоянных рабочих напряжений (4,5–100 В) и выходной мощно-

стью до 300 Вт. Стандартные изделия могут эксплуатироваться при рабочих температурах –40…+105 °C. Кроме того, доступны модификации с допустимой нижней температурой эксплуатации от –55 °C (суффикс /T в наименовании), а также прошедшие выходные испытания по методам, изложенным в стандарте MIL-STD-883C (суффикс /S).

а

б

Рис. 8. Типовая схема включения и внешний вид ЭМИ"фильтра FGDS"6A"100V

39

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

ЭМИ-фильтры позиционируются для совместной работы с DC/DC-преобразователями напряжения производства Gaia Converter. Согласно типовым схемам включения, они устанавливаются непосредственно перед конвертерами (рис. 8а). Все функциональные узлы модулей размещаются в металлических анодированных корпусах размерами 28×19,8×8,2 мм (FGDS-6A-100V) и 32,7×26,2×8,2 мм (FGDS-12A-100V), предназначенных для монтажа в отверстия (рис. 8б). Корпуса, заполненные специальным компаундом, обеспечивают защиту элементов от механических повреждений, а также эффективный отвод тепла во внешнюю среду, их тепловое сопротивление не превышает 20 °C/Вт. Значение среднего времени наработки на отказ (MTBF), вычисленное для различных условий эксплуатации по стандарту MIL-HDBK-217F, может достигать 1740 тыс. ч. Оценка эффективности

ЭМИ-фильтров Gaia Converter проводится с применением эквивалента сети (LISN, Line Impedance Stabilization Network).

раслевых стандартов, изготавливаются с учетом жестких требований к параметрам и качеству изделий и позволяют создавать системы питания с большим запасом прочности.

Заключение Использование модульного подхода при построении высокоэффективных источников питания обеспечивает гибкость и простоту проектирования. Продукция компании Gaia Converter, включающая преобразователи постоянного и переменного тока, а также вспомогательные модули, обеспечивающие защиту от воздействия ЭМИ-излучения, переходных процессов и пониженного напряжения шины питания, подходит для большинства высоконадежных применений. Устройства, обладающие широкими функциональными возможностями, хорошей технической поддержкой и соответствующие требованиям международных от-

Литература 1. В с е г д а л и в ы г о д н а с х е м а D C / D C преобразователя на дискретных компонентах? // Новости электроники. 2019. № 6.

2. Верхулевский К. Организация питания авиационной аппаратуры при помощи преобразователей компании Gaia Converter // Силовая электроника. 2012. № 2.

3. Верхулевский К. Модульные DC/DCпреобразователи Gaia Converter для железнодорожного транспорта // Силовая электроника. 2017. № 2.

4. О ф и ц и а л ь н ы й с а й т к о м п а н и и G a i a Converter. www.gaia-converter.com

Новый двигатель maxon motor EC i40 HT 130W Компания maxon motor (Швейцария) сообщает о выпуске в серии EC-i нового двигателя — EC-i40 HT 130W. Этот двигатель удачно дополняет ранее выпущенные модели EC-i40 HT 100W и EC-i52 HT 180W, увеличивая номинальный момент для двигателей диаметром 40 мм. Длина нового EC-i40 HT 130W была увеличена на 62%, благодаря чему номинальный момент увеличился на 40–50%. Новый двигатель может быть поставлен в сборе с планетарным редуктором GP42C. Также для нового двигателя доступны энкодеры ENC16EASY, ENC16EASY XT, ENC16RIO, AEDL5810 и HEDL5540.

Основные параметры новых двигателей EC-i40 HT 130W: Параметры

EC-i 40 130W новый

Номинальное напряжение, В

18, 24, 36, 48

18, 36, 48

Номинальная скорость, об/мин

4640–4730

3920–4390

Номинальный момент, мН·м

276–340

Датчики Холла

EC-i 40 100W

207–222 да

Габаритные размеры, мм

40×91

40×56

www.innodrive.ru

реклама

40

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Малогабаритные интеллектуальные инверторы специального назначения производства «Электрум АВ»: развитие и номенклатура Низковольтные следящие приводы — одно из наиболее востребованных направлений силовой электроники среди изделий специального назначения. Различного рода системы наведения, закрылки ракет и БЛА, стабилизированные платформы и другие устройства — все это требует следящих приводов, как правило, на основе коллекторного или вентильного двигателя. А к двигателю необходим управляющий инвертор. О развитии и актуальной номенклатуре данных инверторов и пойдет речь.

Павел Новиков

О

ля также входит DC/DC-преобразователь. В первой версии имелась защита по температуре. Таким образом, модуль представлял собой функционально законченное изделие, позволял применение без дополнительных внешних схем защит, но имел недостаток в конструктиве. Насыщенность схемы управления требовала размещения нескольких плат одна над другой (при значительно ограниченной площади основания), что негативно сказывалось на виброустойчивости. Для повышения виброустройчивости, в свою очередь, было необходимо применение множества конструктивных решений, которые никак не способствовали повышению технологичности изделия. С другой стороны, защиты модуля потребителю скорее мешали. Температурная защита была исключена почти сразу, поскольку для изделий специального назначения гораздо более критично выполнить задачу, нежели сохранить работоспособность. А защита по среднему току, хотя и надежно защищала модуль и нагрузку, не позволяла развиться большим пусковым токам, что негативно отражалось на быстродействии привода. В итоге модуль оказался удачным для относительно небыстродействующих приводов с простой схемой управления, но не был гибким в применении, к тому же не был технологичен. В результате второй версией низковольтного интеллектуального инвертора стал 5УМ14А (рис. 3 и 4). Была исключена защита по среднему току, упрощены схемы формирования «мертвого» времени, поскольку, как показала практика, при наличии

www.power e.ru

41

собенностью следящих приводов, по определению, является частая смена направлений вращения вала двигателя. В отдельных изделиях частота реверсов может доходить до 100 Гц. При этом предъявляются жесткие требования к скорости реверса конечного устройства, а значит, задача ограничения пусковых токов далеко не первая для разработчика такого привода. Инверторы функционируют в жестких условиях больших токов, зачастую не ограниченных внешними схемами защит, при наличии мощных индуктивных выбросов при реверсировании, в условиях повышенного силового напряжения при переходе электродвигателя в генераторный режим. Все это заставляет применять специальные схемные решения и вводить специальные узлы защит в интеллектуальные инверторы для данных приводов. В то же время, поскольку привод следящий, то он — а это почти аксиома — быстродействующий. Соответственно, модуль (интеллектуальный инвертор) должен как можно меньше влиять на процесс управления, позволяя и развиваться большим пусковым токам, и не допускать длительной блокировки при превышении током порога защиты. Эти два полюса формировали все поколения интеллектуальных инверторов специального назначения. Первым модулем в данной области стал 5УМ14Б (рис. 1 и 2). Он представляет собой трехфазный инвертор со схемой управления, содержащий схемы защиты по среднему току и по импульсному току. Предусмотрена отдельная схема контроля тока инвертора внешней схемой управления. В состав моду-

Силовая электроника, № 3’2020

Источники питания

Рис. 1. Структурная схема 5УМ14Б

Рис. 2. Внешний вид 5УМ14Б

обратных связей стабильность этого параметра совершенно не критична, упрощен DC/DC-преобразователь. Все это позволило разместить схему управления модуля на одной внутренней плате, что, помимо снижения габаритных размеров, значительно повысило виброустойчивость и, как следствие, технологичность. Из защит осталась только защита

Рис. 3. Структурная схема 5УМ14А

42

Рис. 4. Внешний вид 5УМ14А

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Таблица. Сравнение низковольтных инверторов специального назначения 5УМ14Б Максимальный ток инвертора, А

20

Максимальное коммутируемое напряжение, В Габаритные размеры, мм

95×37×35

5УМ14А 20

20

120

130

77×33×22

70×29×20

Встроенный DC/DC-преобразователь

+

+

Формирование «мертвого» времени

+

+

Защита по импульсному току

+

+

Защита по среднему току

+

Защита по пиковому напряжению

+

по импульсному току, которая была перенастроена на большую блокировку, минимизирующую нагрев транзисторов при работе в нештатных ситуациях (заклиненный вал двигателя, выход из строя обмотки и т. п.). Из опыта эксплуатации 5УМ14А были сделаны определенные выводы, как по модулям интеллектуальных инверторов в частности, так и по следящим приводам в целом. Зачастую собственно защиты модуля разработчику конечного изделия не нужны. Если схема сделана корректно, то в них почти нет необходимости, а если некорректно, то одной защиты по импульсному току все равно недостаточно, чтобы исключить выход из строя. Введение же дополнительных защит разработчику мешает; контроль и ограничение тока если и производятся, то лишь внешней схемой управления, нежелательно влияние модуля на контуры обратных связей и быстродействие привода. Из защит инвертора необходима только простейшая защита по перенапряжению (супрессор и по возможности снабберный конденсатор). С другой стороны, оказалась желательна защита от пониженного напряжения питания

Рис. 5. Структурная схема 5М31МА

www.power e.ru

5М31МА

+

+

схемы управления, так как алгоритмы подачи и снятия питания не разрабатываются почти никогда. Тем более не ставятся защиты от подачи сигналов управления до завершения переходных процессов установления питаний. Плюс к этому относительно сложный и занимающий на плате управления много места DC/DC-преобразователь оказывается фактически не нужным. Для вентильного двигателя более чем достаточно бутстрепного питания верхних ключей; для такого применения DC/DC-преобразователь избыточен. А коллекторные щеточные двигатели в современных разработках используются все реже. В части элементной базы, благодаря новым разработкам микросхем специального назначения, также напрашивались изменения. В первом модуле — 5УМ14Б, для гальванической развязки управления драйверами верхних ключей использовался оптрон 249ЛП8. Недостатки — относительно большой ток потребления (как по управлению, так и выходной схемой) и относительно низкая устойчивость du/dt. Для исключения этих недостатков в последующем модуле 5УМ14А использовался оп-

трон 3ОД120, практически не имеющий в этом смысле недостатков, но требующий внешнего драйвера для умощнения управляющего сигнала. Уже позже появилась микросхема 1308ЕУ3, которая требовала минимум обвязки в схеме и как нельзя лучше подходила для низковольтного интеллектуального инвертора. В части конструктива, для повышения виброустойчивости и технологичности, не допускалась установка более чем одной управляющей платы, была необходима минимальная высота, а потребитель требовал минимальных габаритов в целом. В результате третьей версией низковольтных интеллектуальных инверторов стал 5М31МА (рис. 5 и 6), включивший все вышеуказанные выводы. Модуль отличается очень малыми габаритными размерами, не имеет в своем составе никаких защит по току и напряжению (кроме одиночного супрессора на силовых выводах питания инвертора), не формирует «мертвое» время, зато обладает защитой от пониженного напряжения питания схемы управления. Также в модуле отсутствует полноценный DC/DC-преобразователь; организовано бутстрепное питание верхних ключей с активной «подтяжкой» фаз к общему. Как следствие, модуль стал очень простым, технологичным, гибким в применении, позволяющим работать при значительных (недлительных) перегрузках. Итогом развития стали три модуля, одинаковых в части назначения и силовой схемы, но отличающихся функционалом и конструктивом. Сравнение данных модулей приведено в таблице. Примечательно в развитии интеллектуальных инверторов специального назначения то, что со временем схема и конструкция не усложнялись, а наоборот — упрощались. Обычно это снижает потребительские свойства изделия, но не здесь. Как показал опыт, для следящего привода чем модуль проще, чем меньше он «влезает» в контур управления, тем лучше. И чем проще конструктив, тем легче пройти испытания. В этом смысле оптимален 5М31МА. С другой стороны, конечно, зачастую разработчику требуется не столько быстродействие, сколько надежность и/или простота собственной схемы управления, тогда оптимальный вариант находится на другом полюсе — 5УМ14Б. Ну и где-то посредине — 5УМ14А. Так изделие развивалось, а что выбрать сегодня, как обычно, решает только разработчик.

Рис. 6. Внешний вид 5М31МА

43

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Расширение входного напряжения безоптронного изолированного обратноходового преобразователя Ючен Янг (Yuchen Yang)

Введение

В стандартных изолированных высоковольтных обратноходовых преобразователях точная стабилизация напряжения осуществляется за счет использования оптронов, которые позволяют передавать Перевод: Михаил Русских информацию о напряжении вторичной обмотки в схему первичной обмотки. Но проблема здесь заключается в том, что оптроны значительно усложняют проектирование изолированных преобразователей: они вносят задержку распространения, деградируют со временем и могут менять коэффициент усиления — все это усложняет компенсацию контура питания и приводит к снижению надежности. Кроме того, во время включения устройства для активации микросхемы требуется либо стабилизирующий нагрузочный резистор, либо пусковая высоковольтУильям Хьонг (William Xiong)

ная цепь. При этом если к пусковым компонентам не подключить дополнительный высоковольтный полевой МОП-транзистор, то стабилизирующий нагрузочный резистор станет источником нежелательных потерь мощности.

LT8316 представляет собой малопотребляющий контроллер высоковольтного обратноходового преобразователя, для которого не требуются оптрон, сложная опорная схема вторичной обмотки или дополнительные пусковые компоненты. Расширение входного напряжения Микросхема LT8316 имеет стойкий к высоким температурам 20-выводной корпус TSSOP с четырьмя удаленными выводами для обеспечения разнесения линий высокого напряжения. За счет измерения вы-

V IN 20 до 800 В 1 мкФ

10 Ом 4,7 мкФ

V IN

BIAS

EN/UVLO

D2

INTV

10 кОм

V OU T + 12 В

DCM

TC

SMODE

4,99 кОм

SENSE IREG/SS

D4

121 кОм

20 Ом 100 Ом

GND

56,2 кОм

470 мкФ

V OU T – Up to 800 мА (V IN = 20 В) Up to 2 A (V IN = 50 В) Up to 3 A (V IN > 100 В)

SCT3160KLGC11

GATE

VC

+

D3

CC

LT8316

141 мкФ

44,2 кОм

FB

4,7 мкФ

100 нФ

D1 47 пФ

D5

10 кОм

T1 8:1:1

1 нФ

50 мОм

T1: SUMIDA 11328-T078 D1: BAV20WS-7-F D2: FSV20150V D3: SMBJ188A D4: US1MFA D5: BZG03C220-M

Рис. 1. Полноценный изолированный обратноходовой преобразователь с выходным напряжением 12 В, широким диапазоном входного напряжения 20–800 В и минимальным пусковым напряжением 260 В

44

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

12,4

90

12,3 Выходное напряжение, В

100

КПД, %

80

70

60 V IN V IN V IN V IN

50

40

0

0,5

1,0

1,5

2,0

= 20 В = 100 В = 400 В = 800 В

2,5

12,2

12,1

12,0 V IN V IN V IN V IN

11,9

11,8

3,0

0

0,5

1,0

Ток нагрузки, А

1,5

2,0

= 20 В = 100 В = 400 В = 800 В

2,5

3,0

Ток нагрузки, А

Рис. 3. Выходное напряжение обратноходового преобразователя, представленного на рис. 1

Рис. 2. КПД обратноходового преобразователя, представленного на рис. 1

компенсации нагрузки. В результате решение на основе LT8316 будет иметь небольшое количество компонентов, что значительно упростит конструкцию изолированного обратноходового преобразователя (рис. 1).

LT8316 рассчитан на работу с входным напряжением до 600 В, но его можно увеличить, если последовательно к выводу VIN подключить стабилитрон. Падение напряжения на стабилитроне снижает напряжение, подаваемое на микросхему, благодаря чему входное напряжение может превышать 600 В. На рис. 1 показана полная схема обратноходового преобразователя с широким диапазоном входного напряжения 18–800 В. Рекомендации по выбору компонентов приве-

ходного напряжения с изолированного выхода третьей обмотки силового трансформатора в схеме не требуется оптопара. Выходное напряжение программируется с помощью двух внешних резисторов и третьего дополнительного резистора компенсации температуры. Работа в квазирезонансном граничном режиме позволяет добиться превосходной стабильности выходного напряжения, малых потерь на переключение, особенно при высоком входном напряжении, а также использовать компактные трансформаторы. Поскольку выходное напряжение измеряется тогда, когда ток во вторичной обмотке практически равен нулю, исключена потребность во внешних резисторах и конденсаторах, необходимых для

дены в технической документации на LT8316. После подключения последовательно к выводу VIN стабилитрона, рассчитанного на 220 В, минимальное пусковое напряжение составит ±260 В (в зависимости от допуска по напряжению стабилитрона). Обратите внимание, что после включения LT8316 будет нормально работать при входном напряжении ниже 260 В. На рис. 2 представлены графики КПД при различных входных напряжениях, при этом обратноходовой преобразователь достигает максимального КПД 91%. Даже без оптрона качество стабилизации выходного напряжения при различных входных напряжениях, как показано на рис. 3, остается очень высоким.

V IN 20 до 800 В 649 кОм

1 мкФ

BF720T1G D5 D6

10 Ом 4,7 мкФ

D7

T1 8:1:1

D1

D2

V OU T + 12 В

47 пФ

220 нФ BIAS

VIN EN/UVLO

10 кОм

DCM FB

INTVCC

121 кОм

10 кОм 100 нФ

SENSE IREG/SS

20 Ом 100 Ом

GND

56,2 кОм

470 мФ

V OU T – Up to 800 мA (VIN = 20 В) Up to 2 A (VIN = 50 В) Up to 3 A (VIN > 100 В)

SCT3160KLGC11

GATE

VC

D4 4,99 кОм

TC

SMODE

+

D3

LT8316

4,7 мкФ

141 мФ

44,2 кОм

1 нФ

50 мОм

T1: SUMIDA 11328-T078 D1: BAV20WS-7-F D2: FSV20150V D3: SMBJ188A D4: US1MFA D5, D6: BZD27C180P D7: BZD27C200P

Рис. 4. Схема изолированного обратноходового преобразователя с низким пусковым напряжением: входное напряжение 20–800 В, выходное напряжение 12 В

www.power e.ru

45

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

VIN 19 до 800 В 0,1 мкФ D1

M1: TK2P90E L1: SUMIDA RPT129NP-102MB D1, D3: US1M-13-F D2: CMDSH2-3

D2 BIAS

DCM

INTVCC 21,5 кОм

EN/UVLO

10 мкФ

10 кОм 10 пФ

V IN BZG03C220-M LT8316

FB TC

M1

GATE

SMODE VC

2,49 кОм

22,1 кОм

SENSE GND

IREG/SS 220 мкФ 100 нФ

100 нФ

L1 1 мкГн

V OUT 12 В 200 мA

47 мкФ 16 В X5R ×3

D3

Рис. 5. Схема неизолированного понижающего преобразователя с входным напряжением до 800 В

Схема преобразователя с низким пусковым напряжением Предыдущая схема позволила нам увеличить входное напряжение до 800 В, но в этом случае стабилитрон повышает минимальное пусковое напряжение до 260 В. Сложность заключается в том, что для некоторых приложений необходимо обеспечить как высокое входное напряжение, так и низкое пусковое напряжение. Альтернативное решение, поддерживающее максимальное входное напряжение 800 В, представлено на рис. 4. В этой схеме используются стабилитроны и транзистор, которые фор-

мируют стабилизатор напряжения. При этом входное напряжение может безопасно доходить до 800 В, поскольку на линии VIN будет присутствовать стабилизированное напряжение около 560 В. Преимущество данной схемы состоит в том, что она позволяет включать LT8316 при более низком входном напряжении. Неизолированный понижающий преобразователь Возможность подавать на вход LT8316 высокое напряжение является преимуществом при создании простого неизолированного

100

12,4

90 Выходное напряжение, В

12,3

КПД, %

80 70 60 50 40 30

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

V IN V IN V IN V IN

= 19 В = 100 В = 450 В = 800 В

0,16

0,18

Ток нагрузки, А

Рис. 6. КПД понижающего преобразователя, представленного на рис. 5

46

понижающего преобразователя, в котором не требуется изолированный трансформатор. В качестве магнитного компонента можно использовать относительно недорогой общедоступный дроссель. Для построения неизолированного понижающего преобразователя вывод заземления LT8316 подсоединяют к истоку (эмиттеру) ключа, на котором изменяется напряжение. Уникальная схема измерения напряжения LT8316 регистрирует выходное напряжение только тогда, когда исток ключа подключен к «земле», что образует простую схему понижающего преобразователя.

12,2

12,1

12,0

11,9

0,2

11,8

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

V IN V IN V IN V IN

= 19 В = 100 В = 450 В = 800 В

0,16

0,18

Ток нагрузки, А

Рис. 7. Выходное напряжение понижающего преобразователя, представленного на рис. 5

www.power e.ru

0,2

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

V IN 19 до 800 В 0,1 мкФ

649 кОм Q1

D1

D2 DCM

BIAS INTVCC 21,5 кОм

V IN

EN/UVLO

10 мкФ

D4

D7 10 кОм 10 пФ

D5 D6

D8

LT8316

FB TC

M1: TK2P90E L1: SUMIDA RPT129NP-102MB D1, D3: US1M-13-F D2: CMDSH2-3 D4, D5: BZD27C180P D6: BZD27C200P D7: PMEG4030ER D8: ES1G Q1: BF720T1G

M1

GATE

SMODE 2,49 кОм

VC 22,1 кОм

SENSE GND

IREG/SS 220 мкОм

100 нФ

100 нФ L1

1 мкГн D3

47 мкФ 16 В X5R ×3

V OUT 12 В 200 мA

Рис. 8. Схема неизолированного понижающего преобразователя с низким пусковым напряжением и максимальным входным напряжением 800 В

Как и в случае с обратноходовым преобразователем, входное напряжение понижающего преобразователя может быть расширено. На рис. 5 показана схема понижающего преобразователя с входным напряжением до 800 В. Стабилитрон на 220 В подключается между линией входного напряжения и выводом VIN контроллера LT8316. Минимальное пусковое напряжение составляет около 260 В с учетом допуска по напряжению стабилитрона. После включения LT8316 продолжает нормально работать при более низком входном напряжении. На рис. 6 даны графики КПД при различных входных напряжениях, при этом понижающий преобразователь достигает максимального КПД 91%. Качество стабилизации выходного напряжения преобразователя показано на рис. 7. Как и в случае с обратноходовым преобразователем, представленным на рис. 4, между линией входного напряжения и выводом VIN может быть подсоединен стабилизатор напряжения для обеспечения низкого пускового напряжения. Следует отметить, что между выводом GND и выводом VIN имеется внутренний диод, который повышает напряжение эмиттера транзистора и вызывает пробой перехода базаэмиттер. Чтобы не допустить этого, в схеме используются два диода для защиты транзистора. Такое решение с низким пусковым напряжением показано на рис. 8. Заключение

www.power e.ru

реклама

LT8316 работает в квазирезонансном граничном режиме, и при этом для качественной стабилизации напряжения не требуется оптрон. Устройство обладает и другими полезными функциями и особенностями, такими как режим Burst Mode, обеспечивающий низкий уровень пульсаций, плавный пуск, программируемое ограничение тока, защита от защелкивания при низких напряжениях, температурная компенсация и низкий ток покоя. Высокий уровень интеграции, позволяющий использовать малое количество компонентов, упрощает разработку решений с высоким КПД, которые могут использоваться в различных областях применения от систем с батарейным питанием до автомобильных, промышленных, медицинских, телекоммуникационных источников питания, а также изолированных вспомогательных/резервных источников питания.

47

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Разработка двунаправленного AC/DC-конвертера мощностью 10 кВт Передача 10 кВт мощности в обоих направлениях (от AC к DC и обратно) является технически сложной задачей, но понимание существующих топологий и методов значительно облегчает решение данной задачи. В начале любого проекта необходимо задать вопрос: «Будет ли спрос?», а уже затем решать второй: «Как можно реализовать эту идею?». К сожалению, слишком много проектов начиналось неправильно, именно в обратном порядке: «Сначала разработаем, а покупатель найдется!». Несмотря на то, что данная концепция сработала в фильме 1989 года «Поле Чудес», в реальности она, увы, не работает. Итак, давайте сначала определимся, кому необходим двунаправленный AC/DC преобразователь, и рассмотрим последние разработки и коммерческие аспекты, которые делают его более жизнеспособным, прежде чем углубляться в детали проектирования.

Стив Робертс (Steve Roberts)

Двунаправленная передача энергии В литературе повсеместно встречаются прототипы и оценочные платы для двунаправленной передачи энергии. Почему же возник такой интерес к подобного рода устройствам? Одна из основных причин — электротранспорт, или, точнее, аккумуляторы как способ хранения для возобновляемой энергии. В настоящее время тема возобновляемой энергии становится одной из самых обсуждаемых во многих странах: это самый быстрорастущий источник энергии в США, с показателем роста в 100% в период 2000–2018 гг. [1]. Впервые в прошлом году Великобритания произвела больше энергии из источников с нулевым содержанием углерода, чем энергии из топлива, несмотря на то, что еще менее 10 лет назад более 75% электрической энергии производилось при сжигании полезных ископаемых [2]. Австрия, где расположена штаб-квартира компании RECOM, находится в лидерах Европейского проекта по экологически чистой энергии, около 72% поступает из источников с нулевым содержанием углерода [3]. Однако не у каждой страны есть протяженные береговые линии, где вне поля зрения можно разместить атомные станции, или озера и заснеженные места в горах. Большинство стран должны полагаться на энергию ветра, солнечную или малоразмерные речные гидроэлектростанции, которые не всегда служат надежным источником энергии. Низкий уровень воды летом ограничивает выработку энергии, а пиковый спрос часто приходится на безветренные дни или ночи. Одним из решений обеспечения непрерывности поставок является использование комбинированной электрической энергии, накопленной в аккумуляторах электромобилей (EV), для балансировки спроса

48

и предложения в системе «электромобиль — сеть» (V2G). В течение следующих 10 лет в одной только Германии будет около 7 млн электромобилей, оборудованных батареями емкостью 20–10 кВт каждый. Если только 20% данной емкости доступно в любой момент времени, этот объем составит 140 ГВт, или более 100 атомных электростанций. Ключом к успеху систем V2G является комбинация двунаправленного потока энергии и искусственного интеллекта. Большинство транспортных средств более 95% времени проводит на стоянке [4]. Если электромобиль подключен к зарядной станции, пока владелец находится на работе, электромобиль может определить необходимость заряда батареи или высвободить часть энергии в сеть в часы пиковой нагрузки, таким образом адаптируя состояние заряда в зависимости от известных или прогнозируемых сценариев использования. Большинство дневных поездок составляет 37км, нет необходимости держать батарею полностью заряженной между поездками. Для реализации данного метода необходимо двунаправленное зарядное устройство. При этом сама зарядная станция не обязательно должна быть интеллектуальной, так как системы искусственного интеллекта уже встроены в электромобили. Установив потенциальную потребность в миллионах двунаправленных AC/DC-источников для предполагаемого увеличения рынка электромобилей к 2030 году, следующим этапом необходимо решить вопрос о коммерческой целесообразности их разработки. Есть два новых аспекта, которые сделали двунаправленные источники существенно более простыми и относительно недорогими в реализации. Первый — внедрение новых топологий, особенно хорошо подходящих для двунаправленных систем, а второй — распространение новых технологий, www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 1. Типичная схема зарядного AC/DC"устройства

таких как карбид кремния (SiC), и мощных ключей на их основе, конкурентоспособных по цене с давно известной технологией биполярных транзисторов (IGBT), но с существенно лучшими показателями по КПД. Сравнение одно и двунаправленных AC/DC конвертеров Однонаправленные зарядные устройства AC/DC существуют на рынке уже много лет. Для их построения обычно используется следующая схема с различными запатентованными вариантами (рис. 1). По сути, зарядное устройство — это AC/DC-преобразователь (с каскадом ККМ), затем DC/AC-конвертер (модуляция трансформатора), за которым следует AC/DC-модуль (выпрямление и фильтрация) и интерфейс для подключения аккумулятора. В зависимо-

сти от напряжения аккумулятора и мощности драйвера трансформатора может использоваться однотактная, двухтактная, полномостовая с фазовым сдвигом или резонансная топология, но практически для всех приложений с зарядом аккумуляторов необходимы модуль ККМ во входном каскаде и определенный интерфейс для защиты от обратной полярности и согласования требуемого профиля напряжения и тока заряда с типом химического элемента батареи. Для реализации работы в двунаправленном режиме можно добавить каскад инвертора параллельно существующей схеме (рис. 2). Однако данный способ реализации двунаправленной работы неэффективен, поскольку требует значительного количества дополнительных компонентов, в том числе двух трансформаторов, что значительно увеличивает стоимость. Если мы говорим о серийности

выпуска в миллионах штук, стоимость единичного изделия становится критически важной. Лучшей реализацией становится двунаправленная топология с одним изолирующим трансформатором (рис. 3). Для того чтобы рассмотреть конструктивные особенности такой топологии, мы можем поочередно проанализировать каждый этап, проводя сравнение обычной топологии с двунаправленной. Поскольку источник двунаправленный, можно начать анализ с последнего этапа, он же первый, если устройство работает в обратном направлении. Этап 1. Интерфейс батареи Каждый тип аккумулятора имеет уникальный химический состав, что предполагает различные профили зарядки. Например, на начальном этапе 48-В литий-ионный ак-

Рис. 2. Типичная схема зарядного AC/DC"устройства с параллельным инвертором для двунаправленной передачи энергии

www.power e.ru

49

Силовая электроника, № 3’2020

Источники питания

Рис. 3. Типовая схема двунаправленного зарядно"разрядного AC/DC"устройства

Рис. 4. Типичный профиль заряда литий"ионного аккумулятора (источник [5])

кумулятор должен заряжаться постоянным током, а затем постоянным напряжением до момента насыщения. После этого необходимо прервать зарядку, так как литийионные аккумуляторы не выдерживают перезаряда (это приводит к повреждению аккумулятора из-за покрытия анода металлическим литием), но зарядку и не следует прерывать ранее требуемого момента, так как полная емкость достигается значительно позже точки отсечки заряда постоянным током (рис. 4). Для сценариев зарядки электромобилей необходимо принимать во внимание пользовательский интерфейс и обеспечение дополнительной безопасности. Большинство зарядных кабелей содержат шину данных для обеспечения согласования параметров между электромобилем и зарядной станцией перед подачей питания. Обычно для отображения основной информации, такой как состояние заряда, напряжение и ток,

Рис. 5. Полномостовой контроллер с фазовым сдвигом с гибридной аналого"цифровой обратной связью

50

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 6. Импульсный двухтактный повышающий конвертер

ожидаемая продолжительность и стоимость, на зарядной станции дополнительно устанавливается ЖК-дисплей. Поскольку микропроцессорный интерфейс уже установлен, добавка различных функций, например защиты от обратной полярности или адаптивного профиля зарядки, является простой задачей, не требующей больших дополнительных затрат. Ступень силового трансформатора «Сердцем» любого силового конвертера служит трансформатор. Если напряжение на аккумуляторе близко к напряжению шины ККМ (около 400 В DC), хорошим выбором становится топология CLLC — двунаправленная вариация резонансной LLC-топологии. Поскольку решение на топологии CLLC является симметричным, ток может одинаково хорошо протекать в обоих направлениях, но, так как работа основана на резонансе, топология лучше всего показывает себя при схожих напряжениях на входе и выходе. Однако если напряжение аккумулятора ниже (48 В) или значительно выше (800 В), предпочтительна полномостовая схема с фазовым сдвигом (PSFB) по причине малой стоимости. В данном примере используется 48-В литий-ионный аккумулятор, поэтому и была выбрана топология PSFB. Аналоговый контроллер UCC28950 компании Texas Instruments был использован в прототипе 10-кВт разработки. Подобный выбор может показаться неожиданным, поскольку цифровой контроллер представляется более современным решением, однако использование аналогового решения имеет ряд преимуществ: www.power e.ru

1. Контроллер — это признанное решение с известными характеристиками и доказанной надежностью.

2. Встроенный блок ZVS (Zero Voltage Switching — переключение при переходе напряжения через ноль) и работа при малых нагрузках, соответственно, и КПД остается высоким во всем диапазоне нагрузок.

3. Задающие сигналы для синхронного выпрямителя вырабатываются контроллером, сокращая количество необходимой обвязки и стоимость.

4. Встроенная защита. Таким образом, нет необходимости отслеживать наличие аварийных ситуаций и можно освободить микроконтроллер для других задач.

5. Малая стоимость. Блок-диаграмма источника питания в режиме заряда аккумулятора показана на рис. 5. Обратная связь аналоговая, использующая выходное напряжение для регулирования сдвига фазы. Дополнительно микроконтроллер измеряет напряжение и ток заряда и подстраивает сигнал обратной связи для установки необходимых значений. По сути, это гибридная схема с аналоговой цепью обратной связи и цифровым управлением. Такая схема обеспечивает все преимущества аналогового контура, в том числе стабильность и отказоустойчивость, а также универсальность и точность регулировки систем с микропроцессорным управлением. Для того чтобы сделать схему, показанную на рис. 5, двунаправленной, микропроцессор должен управлять синхронным выпрямителем в выходном каскаде, а также использовать мощную фильтрующую индуктивность для построения импульсного двухтактного повышающего преобразователя (рис. 6, 7).

В импульсной топологии ток через обмотку трансформатора не должен падать до нуля, поэтому QA и QB включаются и выключаются попеременно. Ток источника I L ограничен индуктивностью. На первичной обмотке (теперь это вторичная) генерируется ступенчатый выход в соответствии с коэффициентом передачи. На первичной стороне контроллер PSFB выключен из работы управляющим микроконтроллером, и обмотки трансформатора не коммутируются. Тем не менее все SiCтранзисторы содержат два диода (прямой и обратный), за счет чего напряжение обмотки трансформатора выпрямляется двухполупериодным выпрямителем, а энергия запасается

Рис. 7. Форма сигналов импульсного двухтактного преобразователя

51

Силовая электроника, № 3’2020

Источники питания

Рис. 8. Обратная передача энергии через главный трансформатор

Рис. 9. Активный модуль ККМ (однонаправленный)

в конденсаторе модуля ККМ. Дополнительная цепь обратной связи по напряжению позволяет микроконтроллеру регулировать передачу энергии в обратном направлении (рис. 8). Самое большое преимущество данной топологии — ее простота и двойное использование всех основных компонентов при работе в прямом и обратном направлении. Это значительно снижает стоимость по сравнению с многими другими двунаправленными решениями с симметричным расположением, использующими схемы с двумя активными мостами (Dual Active Bridge — DAB) с четырьмя переключающими транзисторами на каждой стороне и двумя силовыми катушками индуктивности в дополнение к трансформатору. Необходимо отметить, что на первичной стороне следует использовать силовые ключи с надежными встроенными диодами для работы в режиме пассивного выпрямления, даже при установке внешних диодов в параллель. Здесь можно применять только транзисторы на основе карбида кремния (SiC) или IGBT, поскольку встроенный диод в КМОПтранзисторах может выйти из строя при работе в таком режиме. Ступень ККМ

Рис. 10. Пример тотемно"полюсного ККМ [6]

52

Модуль коэффициента корректора мощности требуется для однофазных сетевых источников мощностью более 75 Вт. Простейшая топология с активным преобразованием использует повышающий конвертер, чтобы поднять выпрямленное напряжение до пикового входного, таким образом управление током заряда конденсатора в модуле ККМ можно сделать непрерывным и синхронизировать с синусоидальным входным напряжением и сделать коэффициент мощности близким к единице (рис. 9). www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

В данной схеме наблюдается две основные проблемы. Диоды D1–D5 четко указывают, что схема является однонаправленной, кроме того, потери на диодном мосту и на ступени повышающего преобразователя весьма существенные. Однако относительно стабильное напряжение на DC-шине необходимо для функционирования полномостовых контроллеров с фазовым сдвигом и многих резонансных каскадов, которые не обеспечивают работу в широком диапазоне входных напряжений. Для мощных источников широко применяется тотемно-полюсная топология ККМ. Название «тотемно-полюсная» (в оригинале — «тотемный столб») связано с американскими индейцами, использовавшими резьбу на стволах деревьев и изображения различных богов и могущественных вождей для защиты от злых духов и привлечения удачи. Поскольку резные фигуры располагались друг над другом на вертикальном столбе, название было заимствовано для описания вертикально расположенных транзисторов в схемотехнике данной топологии. В тотемно-полюсной топологии один набор транзисторов используется для коммутации входного напряжения синхронно с частотой сети 50/60 Гц, а другой — со значительно большей частотой, 100 кГц для повышающего преобразователя. Данная топология не требует наличия выпрямляющих диодов, таким образом исключаются связанные с ними потери. Карбид-кремниевые транзисторы обладают надежным встроенным обратным диодом и малым обратным зарядом компенсации потерь (Qrr), поэтому они идеально подходят для высокочастотных ключей Q1 и Q2. Малый Qrr и сопротивление открытого канала (RDS_on) позволяют модулю ККМ работать в режиме постоянной проводимости (constant conduction mode — CCM), что снижает искажение гармоник и увеличивает общий КПД. CCM также

Рис. 11. Трехфазный ККМ с фиксацией нейтральной точки

упрощает построение фильтра электромагнитной совместимости, уменьшая стоимость. Низкочастотные ключи, переключающиеся на частоте сети Q3 и Q4, могут быть кремниевыми транзисторами. Еще одно преимущество тотемно-полюсной топологии — работа в обоих направлениях. Дальнейшим развитием тотемно-полюсной топологии ККМ является трехфазная версия с фиксацией нейтральной точки (neutral point clamping — NPC). Множество трехфазных источников не имеют непосредственного подключения к нейтрали, а на вход подаются только три фазы и заземление. Добавление нескольких диодов в так называемую вен-

скую топологию создает нейтральную точку, также служащую средней точкой DC-шины. Использование нейтральной точки позволяет сбалансировать токи по фазам, что уменьшает габариты фильтра ЭМС. Решение, продемонстрированное на рис. 11, является достаточным для множества мощных ККМ, но, тем не менее, оно не совсем оптимально. Для фиксации нейтральной точки диоды могут быть заменены парами транзисторов для повышения общего КПД с увеличением стоимости, но их применение не устранит синфазные напряжения пилообразной формы на выходном конденсаторе ККМ (рис. 12).

Рис. 12. Синфазное напряжение в точке фиксации NPC (показано синим цветом)

www.power e.ru

53

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 13. Пример визуализации векторного пространства двунаправленного ККМ с фиксацией нейтрали

Синфазное напряжение неизбежно вызывает протекание дополнительного тока через ЭМС-фильтр, снижая его эффективность и увеличивая общие потери. Для решения этой проблемы используется метод «развертка» — введение дополнительного сигнала в точку фиксации нейтрали для компенсации синфазного напряжения. Источником данного сигнала служит отдельный понижающий конвертер, работающий от высоковольтной шины. Для полноценного двунаправленного ККМ требуется сложный контроллер, способный точно скоординировать работу и обеспечить синхронность и точность подачи сигналов. Для решения данной задачи хорошим вариантом станет цифровой векторный контроллер (рис. 13).

Окончательная блок-диаграмма двунаправленного решения может выглядеть следующим образом (рис. 14). Был сконструирован прототип 10-кВт устройства для тренировки аккумуляторов с целью подтвердить расчеты (рис. 15). Данный модуль не является зарядкой аккумуляторов электромобилей, но используется как составляющая системы тренировки батарей (новые аккумуляторные батареи необходимо зарядить, разрядить и затем снова зарядить для достижения полной емкости — благодаря возврату энергии обратно в сеть этот процесс стал более экономичным), однако базовые принципы, описанные в настоящей статье, остались неизменными. КПД прототипа превышает 96%, а коэффициент коррекции мощности достигает более 0,99 в обоих направлениях.

Рис. 15. 10"кВт двунаправленный AC/DC"источник

Рис. 14. Пример оптимизированного мощного двунаправленного AC/DC"преобразователя

54

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Выводы В начале статьи мы задались вопросом: «Кому необходим двунаправленный AC/DC-конвертер?» Ответ: «Наиболее вероятно, миллионам из нас». При таком высоком спросе появится множество решений поставленной задачи. В данной публикации предлагается одно из возможных решений. Для всех применений с большими объемами потребления ключевым фактором, помимо надежности и производительности, является малая стоимость. Множество двунаправленных топологий полно-

стью симметричны: выход становится зеркальным отображением входа. На первый взгляд такой подход логичен, однако внесение определенных модификаций в несимметричную топологию для обеспечения двунаправленной работы обеспечивает снижение затрат, устраняет необходимость дублирования компонентов и снижает их общее количество в перечне используемых материалов. Литература 1. www.c2es.org/content/renewable-energy/

2. www.carbonbrief.org/analysis-uk-renewablesgenerate-more-electricity-than-fossil-fuels-forfirst-time 3. w w w . m i s s i o n 2 0 3 0 . i n f o / w p - c o n t e n t / uploads/2018/10/Klima-Energiestrategie_ en.pdf 4. www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Artikel/G/ mobilitaet-in-deutschland.html 5. www.batteryuniversity.com 6. Книга знаний AC/DC. www.recom-power. com/en/support/resource-library/book-ofknowledge/book-of-knowledge.html

IGBT модули с драйверами собственной разработки от АО «Протон Электротекс» АО «Протон-Электротекс» начинает поставки IGBTмодулей с драйверами собственной разработки. Вся линейка IGBT-модулей и низкочастотных тиристоров производства АО «ПротонЭлектротекс» может комплектоваться совместимыми драйверами. Данные устройства предназначены для использования совместно с IGBT-модулями для применения в преобразователях солнечной и ветроэнергетики, источниках бесперебойного питания, электротранспорте, преобразователях частоты. Этот тип продукции обладает оптической изоляцией цепей управления, защитой от пониженного напряжения питания и защитой транзисторов от КЗ с безопасным выключением.

IGBT-драйверы имеют независимое управление и режим «полумост». При установке не требуется специальная переходная плата. Установка происходит с помощью пайки к выводам управления или проводным подключением. Тиристорный драйвер производства АО «ПротонЭлектротекс» предназначен для управления силовыми тиристорами с номинальными токами 160–5000 А и классом по напряжению до 1800 В. Драйвер имеет компактный размер и защиту от коротких входных импульсов. Установка происходит на печатную плату с помощью пайки в отверстие или в виде монтажа в разъем платы. Ознакомиться со списком доступных драйверов, информационными листами и рекомендациями

по применению можно в разделе «Драйверы» на официальном сайте компании:

www.proton-electrotex.com.

реклама

www.power e.ru

55

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Переходные отклонения в унифицированных модулях питания: проблемы и решения В статье рассматриваются вопросы, связанные с переходными отклонениями выходного напряжения в унифицированных модулях питания при скачкообразном изменении выходного тока, их зависимость от величины выходного напряжения и способы уменьшения.

Анатолий Миронов

56

У

нифицированные модули питания (УМП) получили широкое распространение в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) благодаря значительному сокращению сроков проектирования ее систем электропитания. Применяя УМП, вопросы проектирования средств электропитания можно решать быстро, набирая нужную структуру, как из детских кубиков. При этом все модули питания идеально сопрягаются между собой по электрическим характеристикам и уже имеют требуемые для применения разрешительные документы. УМП обычно представляют собой линейку одно-, двух- или трехканальных модулей различной мощности. Для минимизации затрат на разработку каждый номинал мощности для разных выходных напряжений разработчик старается реализовать на одной и той же плате. При этом модули одной мощности, но разных выходных напряжений часто имеют одну и ту же схему, частоту преобразования, один и тот же набор унифицированных элементов. Так, УМП выходной мощностью 5–25 Вт на диапазон выходных напряжений 2,5–36 В обычно реализуются по схеме обратноходового преобразователя. Разница лишь в том, что на выходные напряжения 2,5–9 В силовой выпрямитель, предназначенный для уменьшения потерь, может быть синхронным на МДПтранзисторе, а при бόльших выходных напряжениях — обычным диодным. Спроектированная однажды линейка УМП производится многие годы в неизменном виде, а требования к РЭА постоянно меняются, и обычно в сторону ужесточения. Кроме того, появляются новые направления РЭА, классы потребителей со своими

специфическими задачами, которые вступают в противоречия с возможностями серийно выпускаемых УМП. К таковым сегодня можно отнести, например, импульсные нагрузки типа узлов радиолокационных станций с активной фазированной антенной решеткой (РЛС с АФАР), импульсные зарядные устройства, различные импульсные регуляторы и другую аппаратуру. Пожелания потребителей постоянно расширяются в сторону бόльших мощностей и низких выходных напряжений, то есть значительно увеличиваются выходные токи. Такие нагрузки предъявляют, помимо прочего, особые требования к динамической стабильности выходного напряжения, которую можно характеризовать величиной переходных отклонений (ПО) при изменении выходного тока — основной динамической характеристики УМП. Величина ПО и методика их измерения нормируется в ГОСТах [1, 2] и для УМП общего применения составляет 10% от номинального значения выходного напряжения при скачкообразном изменении выходного тока от 0 (10%) до 100% от номинального выходного тока. Наиболее информативным параметром является ПО при скачкообразном изменении тока нагрузки. Далее речь пойдет о ПО при скачкообразном уменьшении выходного тока как наиболее важном динамическом параметре. При этом на выходе УМП формируется выброс напряжения, который при больших значениях ПО может даже вывести из строя РЭА. Проанализируем, как выполняют эти требования УМП разных отечественных производителей. На рис. 1 показаны ПО УМП МПШВ2505ВОВ производства НПП «Элтом» (входное напряжение 18–75 В, www.power e.ru

Силовая электроника, № 3’2020

Источники питания

Рис. 2. Выброс выходного напряжения модуля питания МДМ20"1Б05ТУВ при скачкообразном уменьшении выходного тока Рис. 1. Выброс выходного напряжения модуля питания МПШВ2505ВОВ при скачкообразном уменьшении выходного тока

выходное напряжение 5 В, номинальный выходной ток 5 А, частота преобразования около 200 кГц). При входном напряжении 18 В переходные отклонения превышают 50%! При питании от такого модуля РЭА на цифровых микросхемах выброс напряжения питания доходит до 7,6 В, что может просто вызвать ее отказ! С увеличением входного напряжения ПО уменьшаются до 30% при максимальном входном напряжении (выброс напряжения питания достигает 6,5 В), что все равно не решает проблемы! Несколько лучшие характеристики имеют УМП производства ООО «АЕДОН». В аналогичных УМП МДМ20-1Б05ТУВ (входное напряжение 10,5–36 В, выходное напряжение 5 В, номинальный выходной ток 4 А, частота преобразования 285 кГц) при минимальном входном напряжении ПО составляют 28%, при максимальном значении входного напряжения — 20% (рис. 2). В рассмотренных случаях требования ГОСТов тоже не выполняются. И так ведут себя маломощные УМП! Чего же можно ждать от ПО модулей мощностью 500–1000 Вт? Но может быть, это такие значения ПО записаны в ТУ на данные приборы? Нет! Везде имеется одно и то же условие: ПО не должны превышать 10% от номинального выходного напряжения. Как же разработчики УМП выходят из положения? Они применяют «военную хитрость». И те и другие предлагают измерять ПО при «скачкообразном»

Рис. 3. Выброс выходного напряжения модуля питания МДМ160"1Е05ВУ при скачкообразном уменьшении выходного тока

www.power e.ru

изменении выходного тока, но с фронтом не менее 1 или 0,5 мс соответственно! Конечно, относительно медленное изменение выходного тока позволит несколько уменьшить значение ПО, но такой метод измерения нельзя назвать корректным. Это напоминает попытку школьника подогнать неправильно решенную задачу под ответ, который есть в конце учебника. И главное — такой способ измерения ПО не дает потребителю информации о действительных динамических параметрах УМП. Кстати, требование к длительности спада тока за время 0,5–1 мс также не всегда выручает. Для проверки был взят аналогичный УМП МДМ160-1Е05ВУ с выходным напряжением 5 В и номинальным выходным током 25 А. На рис. 3 показан переходный процесс на выходе при скачкообразном уменьшении выходного тока с 25 до 2,5 А. ПО составляют 36% от номинального значения выходного напряжения. Сравнение ПО не совсем корректно, так как мощность УМП в 7–8 раз превышает мощность вышеупомянутых модулей. На рис. 4 изображен переходный процесс того же УМП при длительности спада выходного тока 1 мс. Величина ПО практически не изменилась, и лишь при фронте длительностью 10 мс (рис. 5) она заметно уменьшилась. Но и тут ПО составляют 12% от номинального значения выходного напряжения. И только при фронте длительностью 25 мс (рис. 6) ПО вошли в норму и составили 6% от номинального значения выходного напряжения.

Рис. 4. Выброс выходного напряжения модуля питания МДМ160"1Е05ВУ при изменении выходного тока с фронтом длительностью 1 мс

57

Силовая электроника, № 3’2020

Источники питания

Рис. 5. Выброс выходного напряжения модуля питания МДМ160"1Е05ВУ при изменении выходного тока с фронтом длительностью 10 мс

Рис. 6. ПО модуля питания МДМ160"1Е05ВУ при изменении выходного тока с фронтом длительностью 25 мс

Как видно из представленных осциллограмм, при таком способе нормирования переходных отклонений для УМП каждой мощности необходимо указывать свое значение длительности спада выходного тока даже для того, чтобы «подогнать результат под ответ». С уменьшением выходного напряжения (увеличением выходного тока) в УМП наблюдается рост значения ПО для модуля одной и той же мощности. Поясню, почему это происходит. Еще одна особенность УМП — уменьшение энергии, запасаемой конденсаторами выходного фильтра, со снижением величины выходного напряжения модуля. Пусть, например, в выходном фильтре используются конденсаторы типа К53-22 максимального размера и с двукратным запасом по напряжению. Для выходного напряжения УМП U ВЫХ = 27 В устанавливаются конденсаторы К53-22 50 В 4,7 мкФ. Энергия W, запасаемая в конденсаторе, пропорциональна значению C×U2 и составляет для одного конденсатора 4,7×272 = 3426 условных единиц. Для выходного напряжения УМП U ВЫХ = 5 В устанавливаются конденсаторы К53-22 10 В 47 мкФ. Энергия, запасаемая в конденсаторе, составит 47×52 = 1175 условных единиц. Втрое меньше! Это означает, что динамические характеристики УМП с выходным напряжением 5 В (амплитуда пульсаций выходного напряже-

ния при одном и том же выходном токе, переходные отклонения при изменении тока нагрузки) при таком же количестве конденсаторов выходного фильтра будут как минимум втрое хуже, чем такого же УМП с выходным напряжением 27 В. Как минимум, поскольку здесь не учитывается эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, наличие которого только ухудшает результат. Если бы УМП разрабатывался специально под такую динамическую нагрузку, в выходной фильтр поставили бы столько конденсаторов, сколько их нужно, чтобы обеспечить требуемые значения ПО. Но тогда получился бы специализированный модуль питания, а не УМП. Кстати, упомянутый выше модуль питания МДМ160-1Е05ВУ, но с выходным напряжением 27 В, при скачкообразном изменении выходного тока от 6 до 0,6 А имеет ПО менее 6%. Почему же разработчики УМП обходят вниманием такой параметр, как ПО? Причин несколько. Одна из наиболее весомых такая. «Правила хорошего тона» требуют, чтобы потребление тока нагрузкой от УМП было примерно постоянным, даже если собственно нагрузка имеет импульсный характер. Импульсные потребляемые токи создают в подводящих проводах помехи, дополнительные потери, генерируют излучение, так что от них лучше избавляться там, где они возникают, то есть в нагрузке. Если потребление нагрузки импульсное, потребителям рекомендуется установить на входе необходимые фильтры или хотя бы конденсаторы, которые сгладят импульсы потребляемого тока. Если же это невозможно, значит УМП для этого прибора не подходит. Необходимо разрабатывать специальный узел питания такой нагрузки, а это — время и затраты со стороны потребителей. А производители УМП могут потерять целый класс потребителей. Вот обе стороны и идут на компромисс. Сохранить потребителей и удовлетворить требования ГОСТов можно, если разработать структуру УМП, обеспечивающую требуемые ПО независимо от мощности и величины выходного напряжения. В [3] рассматриваются вопросы формирования ПО преобразователя напряжения, который разрабатывался специально в расчете на импульсную нагрузку. Для того чтобы получить необходимые значения ПО, частота преобразования увеличена до 900 кГц. Такая мера позволяет установить силовой дроссель с малой индуктивностью, а следовательно, и с малым значением запасаемой в нем энергии. При скачкообразном уменьшении выходного тока с 15 А до нуля ПО преобразователя МДС12-1Е09 с выходным напряжением 9 В составляют всего 3,3% (300 мВ) без дополнительных конденсаторов на выходе (рис. 7). Если же УМП уже разработан, для уменьшения ПО его структуру необходимо скорректировать. Возможны следующие способы решения этой задачи.

Рис. 7. Выброс выходного напряжения модуля питания МДС15"1Е09 при скачкообразном уменьшении выходного тока

58

www.power e.ru

Силовая электроника, № 3’2020

1. Аккумулирование энергии выброса выходного напряжения с рекуперацией ее на выход.

2. Рекуперация энергии выброса выходного напряжения на вход.

3. Демпфирование выброса выходного напряжения. Первый способ реализуется без потерь и введения дополнительных узлов, например подключением дополнительных конденсаторов на выход УМП. Способ работает при любой скважности импульсов потребляемого тока. Однако такой подход не всегда возможен, поскольку емкость этого конденсатора может быть такой, что УМП не будет в состоянии ее зарядить при запуске. За этим разработчику УМП необходимо постоянно следить. Кроме того, данные конденсаторы в УМП еще где-то надо разместить! Можно подключать дополнительные конденсаторы через ключ, открывающийся, когда ПО превышают некоторую установленную величину. Второй способ также сохраняет энергию выброса, но требует наличия в составе УМП дополнительного преобразователя, который включается и рекуперирует энергию выброса выходного напряжения на вход преобразователя, когда ПО превышают требуемый уровень. Алгоритм ограничения ПО работает также при любой скважности импульсов потребляемого тока. Но этот путь — значительное усложнение схемы УМП, дополнительные моточные узлы и потери в элементах преобразователя. Третий путь наиболее простой. Он применяется при большой скважности импульсов выходного тока, так как энергия выброса выходного напряжения рассеивается в демпфере. Сложность решения задачи усугубляется и тем, что УМП обычно имеют дополнительный вывод регулировки выходного напряжения в диапазоне 5–10% относительно номинального значения выходного напряжения, а мощные УМП — к тому же и выводы выносной обратной связи (ОС). Узел нормализации ПО должен автоматически перестраиваться при изменении выходного напряжения УМП потребителем или ОС. Описанные пути решения задачи нормализации ПО УМП позволяют при необходимости снять ее с повестки дня. На рис. 8 показан переходный процесс на выходе того же УМП, что и на рис. 3, при

Источники питания

Рис. 8. Выброс выходного напряжения модуля питания МДМ160"1Е05ВУ с нормализацией ПО при скачкообразном изменении выходного тока

скачкообразном изменении выходного тока с 25 до 2,5 А.Узел нормализации настроен на ПО на уровне 10%. Литература 1. ГОСТ В 24425-90 «Источники электропитания вторичные унифицированные радиоэлектронной аппаратуры. Общие технические требования».

2. ГОСТ РВ 6130-001-2018 «Источники электропитания в модульном исполнении. Модули функциональные. Общие технические условия».

3. Миронов А. А. Формирование оптимальной структуры системы электропитания АФАР // Компоненты и технологии. 2019. № 10.

реклама

www.power e.ru

59

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Как разработчику РЭА быстро оценить надежность и функциональные возможности модуля питания Рассматриваются параметры унифицированных модулей питания, анализируя которые, разработчик РЭА может быстро и просто сделать вывод о надежности и функциональных возможностях данного устройства.

Леонид Счислёнок

У

нифицированные модули питания (МП) получили широкое распространение в цифровой и аналоговой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) различного назначения. Малые габариты и вес, широкие функциональные возможности позволяют существенно повысить удельные показатели РЭА. Поэтому практически все производители средств электропитания разрабатывают и выпускают МП, в том числе и отечественные предприятия. Далее речь пойдет только о модулях питания российского производства. Разработчики РЭА подчас теряются, выбирая МП той или иной фирмы. А между тем есть простые способы быстро и просто определить соответствие реальных параметров МП ожиданиям специалистов. Основной документ, которым должен руководствоваться разработчик при выборе МП, — технические условия (ТУ). Рассмотрим характеристики, на которые разработчик должен обращать внимание в первую очередь, оценивая надежность МП. Главный показатель надежности МП — способность работать при перегрузках по току и коротких замыканиях (КЗ) на выходе. Перегрузки возникают всякий раз, когда МП включается либо скачкообразно увеличивается его выходной ток. Но они кратковременны (до нескольких миллисекунд) и в ТУ не фиксируются. А вот продолжительное нахождение МП в режиме КЗ должно обязательно описываться

в ТУ. Анализируйте формулировки и цифры, приведенные в ТУ. Они и ответят на вопрос о надежности МП. Так, на МП СПНС27 (изготовитель ЗАО «ГК «Электронинвест») в КЦАЯ.430630.001ТУ на с. 24 приведена таблица входного тока при КЗ на выходе (рис. 1). Из нее видно, что при КЗ на выходе модуль питания, например СПНС27-3, потребляет ток IВХ КЗ ≤ 0,4 А. Делаем простой расчет: при номинальной нагрузке РВЫХ = 3 Вт и КПД η = 0,75 потребляемая на входе мощность: РВХ = РВЫХ / η =4 Вт. На элементах модуля выделяется максимальная мощность РМАКС = РВХ — РВЫХ = 1 Вт. Конструкция МП разрабатывается с учетом, что для надежной работы необходимо отвести эту мощность от элементов при длительной его работе. При КЗ потребляемая мощность: РВХ = UВХ МАКС × IВХ КЗ = 36×0,4 = 14,4 Вт. Передаваемая же на выход мощность РВЫХ КЗ = 0. Стало быть, вся потребляемая мощность выделяется на элементах МП. В 14 раз больше, чем при максимальной нагрузке! Естественно, при такой выделяемой ЭРИ мощности МП «долго не про-

Рис. 1. Выдержка из КЦАЯ.430630.001ТУ (с. 24)

60

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

тянет» — быстро перегреется и выйдет из строя. И это даже без учета того, что при таком значении входного тока I ВХ КЗ импульсные токи через элементы могут вводить в насыщение магнитные компоненты и перегружать силовые ключи, что ускорит неизбежный отказ. Аналогично дело обстоит и с МП, изготовителем которых является ООО «АЕДОН». В БКЯЮ.436630.001ТУ на МП серии МДМ читаем (рис. 2). Опять немного посчитаем. Пусть номинальная выходная мощность МП РВЫХ. Тогда при минимальном входном напряжении и номинальной нагрузке максимальное значение входного тока будет IВХ.МАКС, а потребляемый ток во время КЗ:

Рис. 2. Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 24)

IВХ КЗ = IВХ.МАКС /1,5 = 0,67×IВХ.МАКС. Мощность, выделяемая на элементах МП в этом режиме: РМАКС = IВХ КЗ×UВХ.МИН = 0,67×РВЫХ. Для такого же МП мощностью 3 Вт мощность, выделяемая на ЭРИ при КЗ, составляет: РМАКС = 0,67×3 = 2 Вт. В два раза больше, чем при работе на номинальной выходной мощности. С увеличением входного напряжения до максимального значения выделяемая на элементах МП мощность будет увеличиваться пропорционально значению UВХ.МАКС/UВХ.МИН. Так, для сети входного напряжения с четырехкратным диапазоном изменения это будет уже 8 Вт! Расчет был сделан для самого маломощного МП. Для модуля с выходной мощностью, например, 160 Вт значение выделяемой при КЗ мощности выглядит просто угрожающе! А МП мощностью 400 Вт просто моментально вышел из строя, когда попытались проверить работу защиты от КЗ, но не при минимальном входном напряжении, а при номинальном. Поинтересуйтесь у производителя, как проверяется работа защиты от КЗ. Например, в том же БКЯЮ.436630.001ТУ п. 7.3.8.1 с. 36, 37 способ проверки изложен следующим образом (рис. 3). Вот, оказывается, в чем причина! Модули спроектированы так, что не обеспечивают защиту от КЗ при номинальном или максимальном входном напряжении! Защита от КЗ должна работать во всем диапазоне рабочих напряжений МП, а не только при минимальном входном напряжении. А как проверяет ее изготовитель, потребителю нет дела! Это должна быть забота производителя — обеспечить надежную работу МП при всех значениях входного напряжения. Разработчику РЭА необходимо помнить, что в режиме перегрузки по току и КЗ модуль питания находится каждый раз при включении и при скачкообразном увеличении тока нагрузки независимо от величины входного напряжения. Так что рано или поздно такой МП выйдет из строя. Надежными подобные www.power e.ru

Рис. 3. Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 36, 37)

МП не назовешь, и устанавливать их в РЭА не следует во избежание будущих отказов. Выбирая модуль для своей РЭА, разработчик должен внимательно изучать ТУ и не бояться выяснять у производителя нюансы работы МП в разных режимах. Ведь и ТУ излагаются порой так, чтобы скрыть недостатки конструкции или схемы МП. Если надежностные характеристики МП определены, модули выбраны, необходимо перейти к оценке его функциональных возможностей и соответствия их требованиям ТУ. Одна из важных характеристик МП — возможность запуска и работы на емкостную нагрузку. Максимальная емкость нагрузки — это такое значение емкости, при котором при номинальной активной нагрузке МП запускается за оговоренное в ТУ время при подаче входного напряжения. Разные производители МП описывают в ТУ эти возможности поразному. Например, для МП ООО «АЭИЭП» максимальная емкость нагрузки СН для каж-

дого номинала мощности МП определяется по упрощенной формуле: СН = К/UВЫХ, где К — некоторый эмпирический коэффициент, полученный опытным путем. Как видно из выражения, для разных выходных напряжений МП одной мощности максимально допустимые значения СН будут различаться. Например, для МП серии МДМ30 (БКЮС.430609.001ТУ, с. 37) имеем: К = 2500 мкФ×В. При выходном напряжении U ВЫХ = 27 В имеем емкость нагрузки СН = 2500 / 27 = 93 мкФ. А при выходном напряжении UВЫХ = 5 В максимальная емкость нагрузки СН = 2500 / 5 = 500 мкФ. ООО «АЕДОН» задает значение максимальной емкости нагрузки СН табличным способом. В БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 54) приведены значения СН для МП также серии МДМ (рис. 4). При значении нагрузочной емкости СН = СВЫХ обеспечивается запуск МП в соот-

Рис. 4. Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 54)

61

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 5. Переходный процесс на выходе плохо разработанного МП

ветствии с требованиями ТУ, при СН > СМАКС запуск МП не гарантируется. Например, для такого же МП мощностью 30 Вт имеем С Н = 20 мкФ. Слишком малая величина. Реальное значение С Н наверняка больше, но разработчик РЭА, выбравший такой МП для своей РЭА, должен довольствоваться лишь этой величиной. ТУ — документ! Табличный способ нормирования емкостной нагрузки имеет право на существование. Удивляет другое: значение емкости нагрузки СН одинаково в диапазоне выходных напряжений 15–27 В! И даже одинаково для МП разных мощностей 30–50 Вт! Но «этого не может быть, потому что не может быть никогда»! Такая «таблица» сбивает с толку разработчиков, сеет недоверие и к другим данным, приведенным в ТУ. Не поленитесь связаться с производителем и получить «документальные» подтверждения возможности

а

работы МП на конкретное значение емкости нагрузки в вашем приборе. Либо поменяйте изготовителя МП на другого, у которого в ТУ все понятно и логично. Доступным и простым способом проверки функциональных возможностей МП является анализ параметров переходного отклонения (ПО) выходного напряжения при скачкообразном изменении входного напряжения и выходного тока. Простые правила позволят вам классифицировать качество электрических параметров выбранного МП. Во-первых, переходный процесс на выходе МП может быть колебательным или апериодическим. Апериодический процесс свидетельствует о достаточном запасе устойчивости МП, колебательный — об отсутствии такого запаса. Во-вторых, обратите внимание на форму переходного процесса. «Провал» выходного напряжения при увеличении

выходного тока у корректно спроектированных МП обычно меньше, чем «выброс» при таком же диапазоне изменения выходного тока. Ведь «ликвидация провала» осуществляется током бόльшего значения, чем «ликвидация выброса». Как пример в [1] приведена осциллограмма переходного процесса МП постоянного тока серии МДМ мощностью 340 Вт с выходным напряжением 50 В производства ООО «АЕДОН» (рис. 5). При скачкообразном изменении тока переходное отклонение, по утверждению автора, составляет (–35/+5)% относительно номинального значения выходного напряжения. И хотя переходный процесс апериодический, удовлетворительным его признать нельзя — «провал» выходного напряжения значительно больше «выброса», что говорит о перекорректированной обратной связи или о неправильно организованной схеме питания узла обратной связи преобразователя. Такой «провал» в выходном напряжении наверняка приведет к сбою в питаемой аппаратуре. В [2] приведены осциллограммы переходного процесса корректно спроектированного МП (рис. 6а, б). Это модуль питания серии МДС12-Е09, входное напряжение 10–50 В, выходное напряжение 9 В, выходной ток 12 А. Желтым цветом показано входное напряжение 47 В, зеленым — переменная составляющая выходного напряжения при скачкообразном изменении выходного тока от 0 до 12 А (рис. 6а) и от 12 до 0 А (рис. 6б). Кроме того, разработчик РЭА должен внимательно ознакомиться с соответствующими пунктами ТУ, чтобы понять, в каких режимах работы МП получены те или иные осциллограммы. Например, ГОСТ В 24425 устанавливает скачкообразное изменение воздействующего фактора — выходного тока или входного напряжения. А вот

б

Рис. 6. Переходные процессы на выходе корректно спроектированного МП: а) при скачкообразном изменении выходного тока от 0 до 12 А; б) при скачкообразном изменении выходного тока от 12 до 0 А

62

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

в БКЯЮ.436630.001ТУ (ООО «АЕДОН») на с. 11 требование изложено следующим образом (рис. 7). Грамотный инженер сразу задаст вопрос: «Так скачкообразное изменение или с фронтом не менее 0,5 мс? Тут либо одно, либо другое!» ГОСТ В 24425 устанавливает скачкообразное изменение воздействующего фактора — входного напряжения или выходного тока, потому что такое воздействие характеризует предельные возможности МП. Переходное отклонение в этом случае будет максимальным. Если же испытание проводить пологим фронтом, то за время фронта МП частично отработает воздействие и результат будет лучше. В данном случае, даже если МП работает на довольно низкой частоте 100 кГц, за 0,5 мс проходит 50 периодов работы преобразователя и результат будет существенно улучшен. То, что нарушено требование ГОСТ, — это еще полбеды. Беда в том, что, если у потребителя характер изменения тока нагрузки реально скачкообразный, он получит совсем не тот результат, на который рассчитывает. В качестве примера на рис. 8 показан переходный процесс на выходе МП МДМ20-1Б05ТУВ БКЯЮ.436630.001ТУ производства ООО «АЕДОН» (входное напряжение 10,5–36 В, выходное напряжение 5 В, номинальный выходной ток 4 А) при скачкообразном изменении выходного тока от 4 до 0,4 А. При минимальном входном напряжении реальное ПО составляет 28%. Здесь разработчик МП откровенно схитрил, не сумев добиться от МП заявленных в ТУ результатов. Читайте ТУ внимательно, а потом уже выбирайте модули питания и закладывайте в свою РЭА во избежание будущих проблем! Отдельно нужно обсуждать вопрос о помехах, которые генерирует унифицированный МП во входную сеть. Дело в том, что

а

входной фильтр такого МП практически выполняет лишь функцию сглаживания импульсного тока, потребляемого силовым каскадом МП. В результате сглаживания входной ток МП представляет собой постоянную составляющую с небольшой (около 10%) пульсацией на частоте преобразования. Уровень же помех на входе МП таков, что не входит даже под кривую 3 норм по ГОСТ В 25803. И это происходит как у отечественных МП, так и у импортных! В [3] приведены сравнительные спектры помех на входе однотипных МП раз-

ных производителей: МП DVHF283R3S фирмы VPT Power (входное напряжение 28 В, выходное напряжение 3,3 В, мощность 10 Вт) и МП МДМ10-1Е3,3ВУП ООО «АЭИЭП» с такими же характеристиками. На рис. 9 и 10 показаны сравнительные спектры кондуктивных помех на входе МП в диапазоне 0,1–1 МГц и 1–30 МГц соответственно вышеупомянутым МП без входного фильтра. Вывод очевиден: уровень помех практически одинаков, а первые гармоники превышают нормы даже кривой 3 ГОСТ В 25803 у обоих МП. Разница

Рис. 7. Выдержка из БКЯЮ.436630.001ТУ (с. 11)

Рис. 8. Переходный процесс на выходе МП МДМ20"1Б05ТУВ БКЯЮ.436630.001ТУ при скачкообразном изменении выходного тока

б

Рис. 9. Спектр кондуктивных помех на входе МП DVHF283R3S, включенного без фильтра на входе, в диапазоне частот: а) 0,1–1 МГц; б) 1–30 МГц

www.power e.ru

63

Источники питания

Силовая электроника, № 3’2020

а

б

Рис. 10. Спектр кондуктивных помех на входе МП МДМ10"1Е3,3ВУП, включенного без фильтра на входе, в диапазоне частот: а) 0,1–1 МГц; б) 1–30 МГц

только в том, что МП DVHF283R3S работает на частоте 450 кГц, а МП МДМ101Е3,3ВУП — на частоте 240 кГц, поэтому на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) рис. 9а два «лепестка», а на левой АЧХ рис. 10а — четыре. Серьезные производители в материалах по применению МП указывают на необходимость включения последних в РЭА или для измерения помех только вместе с элементами помехоподавления или даже с фильтрами радиопомех (ФРП). Так, как это делает фирма VPT Power, которая рекомендует включать упомянутый МП только вместе с ФРП типа DVMH28. Аналогичные указания дает и ООО «АЭИЭП». Фирма даже выпустила отдельный документ — руководящие технические материалы по применению модулей защиты и фильтрации БКЮС.681468.240Д1, где подробно рас-

а

смотрены вопросы электромагнитной совместимости, которые решает разработчик, применяя импульсные МП. На рис. 11 показан спектр радиопомех того же МП с фильтром типа МРМ1-В2,5ДМ БКЮС.468240.003-01 ТУ на входе. При таком включении уровень радиопомех на входе находится под кривой 1 ГОСТ В 25803. Аналогичный результат имеет и модуль DVHF283R3S фирмы VPT Power с ее фильтром DVMH28. В ТУ на МП нужно обязательно перечислить требования по подключению МП в РЭА с точки зрения как минимизации уровня радиопомех, так и получения заявленных в ТУ статических и динамических характеристик. Если в ТУ таких сведений не оказывается — это недоработка производителя МП, небрежное отношение к потребителю, неуважение к нему.

Требуйте в этом случае дополнительных «документальных» разъяснений либо меняйте производителя во избежание будущих проблем.

Литература 1. Негреба О. Обеспечение качества энергоснабжения импульсных нагрузок. Практические решения // Современная электроника. 2015. № 8.

2. Миронов А. А. Формирование оптимальной структуры системы электропитания АФАР // Компоненты и технологии. 2019. № 10.

3. Твердов И. В., Затулов С. Л. Новые малогабаритные DC/DC-модули АЭИЭП серии МДМ-ЕП. Доклад на конференции «Электропитание». Июнь 2017.

б

Рис. 11. Спектр кондуктивных помех на входе МП МДМ10"1Е3,3ВУП с фильтром МРМ1"В2,5ДМ на входе в диапазоне частот: а) 0,1–1 МГц; б) 1–30 МГц

64

www.power e.ru

Приводы

Силовая электроника, № 3’2020

Определение и поддержание оптимального скольжения при частотно-токовом способе управления асинхронным трехфазным двигателем В статье [1] рассмотрен частотно токовый способ управления асинхронным двигателем, обеспечивающий получение максимального вращающего момента при данном токе статора за счет поддержания оптимального абсолютного скольжения. Этим достигается максимальное быстродействие в переходных режимах. В стационарном режиме преимущественным становится абсолютное скольжение, обеспечивающее минимум потребляемой двигателем мощности. В статье определено его значение. Оба оптимальных скольжения зависят от параметров двигателя, изменяющихся в процессе эксплуатации и обычно недоступных для непосредственного измерения. Предлагается определять и поддерживать скольжение, наилучшее по потребляемой мощности, с помощью поисковой системы экстремального управления, описанной в статье. При экспериментальном подтверждении пропорциональности обоих оптимальных скольжений можно легко определять значение скольжения, предпочтительного по вращающему моменту.

Анатолий Коршунов

Введение Упомянутый в заголовке способ управления асинхронным двигателем (АД) основан на поддержании оптимальной частоты токов ротора (оптимального абсолютного скольжения vОРТ), соответствующей максимальному электромагнитному моменту ротора, и управлении величиной момента путем регулирования токов статора [1]. На рис. 1 представлена функциональная схема замкнутой нереверсивной системы регулирования частоты вращения АД, управляемого токами статора. Схема отличается от традиционных схем привязкой частоты токов статора ω к частоте вра-

щения ротора АД Ω. Схема относится к случаю одной пары полюсов АД и возможности рекуперативного торможения. В зависимости от знака отклонения частоты вращения АД Ω от заданного ее значения Ω З (ΔΩ = Ω З – Ω) частота токов статора увеличивается или уменьшается на частоту токов ротора, соответствующую экстремальному значению электромагнитного момента АД Mr. Таким образом:

(1)

Рис. 1. Функциональная схема системы регулирования частоты вращения АД, управляемого токами статора

www.power e.ru

65

Приводы

Силовая электроника, № 3’2020

где r — активное сопротивление фазы ротора, LrЭ — ее эквивалентная индуктивность, учитывающая взаимную индуктивность фаз ротора. Амплитуда токов статора регулируется по замкнутому контуру пропорциональным регулятором с достаточно большим коэффициентом усиления K (рис. 1). Благодаря привязке частоты токов статора к скорости АД регулятор амплитуды токов устанавливает наименьшую возможную амплитуду токов при данном моменте нагрузки MН. Система регулирования частоты вращения АД позволяет в переходных режимах в зоне насыщения использовать максимальный электромагнитный момент двигателя, соответствующий уровню ограничения амплитуды токов якоря Im max и частоте токов в роторе, согласованной с экстремумом электромагнитного момента АД. Основная проблема, возникающая при реализации частотно-токового способа управления АД, заключена в нестабильности параметров его ротора — r и LrЭ, вследствие изменения его температуры и степени насыщения магнитопровода. Измерение r и LrЭ, необходимых для вычисления vОРТ, во многих случаях оказывается технически слишком сложной задачей. Очевидный путь решения проблемы — отказ от измерения r и LrЭ в пользу непосредственного измерения vОРТ. Работа АД с постоянным скольжением, соответствующим максимальному вращающему моменту, идеальна для переходных режимов, поскольку обеспечивает наибольшее быстродействие. Для установившихся режимов решающее значение имеют энергетические показатели, особенно при использовании аккумуляторных батарей в качестве источника энергии. Если режим максимального вращающего момента существенно уступает по энергетическим показателям, то имеет смысл поддерживать разные значения оптимального скольжения в переходных и в установившихся режимах. Ниже определено оптимальное значение скольжения vОРТ1, соответствующее минимуму энергии, потребляемой АД в установившемся режиме, и способ его экспериментального определения и поддержания в процессе работы.

где ImS — амплитуда установившегося тока фазы статора АД; CM — конструктивная постоянная АД, и уравнение электрического равновесия для фазной обмотки статора АД в стационарном режиме (uФ = Um cos(ωt), iФ = Ims cos(ωt — ϕs)), полученное в статье [2]: (3) где

Mm — максимальная взаимоиндуктивность фаз статора и ротора АД; ω = Ω + v. В стационарном режиме АД потребляет от источника питания (трехфазного генератора тока) мощность, определяемую выражением: (4) Определив из уравнений (2) и (3)

(2)

66

(9)

Таким образом, относительное превышение минимальной мощности при скольжении, оптимальном по вращающему моменту, составляет:

(5)

(10) (6)

(7)

Из выражения (10) очевидно, что относительный выигрыш в потребляемой мощности резко снижается при увеличении частоты вращения АД Ω. При параметрах АД, использованных в статье [2]: R = r = 0,2 Ом, Mm = 0,09 Гн, LrЭ = 0,145 Гн, k = (1,5 Mm/LrЭ)2 = 0,86683, — рассчитан относительный выигрыш для двух значений Ω:

и подставляя в формулу (4), получаем:

Полученный результат показывает, что при v = vОРТ потребляемая АД мощность незначительно превышает минимальную, и даже в крайнем случае, при превышении минимальной мощности, не превосходит 5%. Отношение вращающих моментов АД (2) при vОРТ и vОРТ1 составляет:

Определение оптимального скольжения Логично ожидать, что в стационарном режиме при постоянных частоте вращения Ω и моменте нагрузки MН = Mr в рассматриваемой функциональной схеме рис. 1 обеспечивается минимум потребляемой АД мощности при v ОРТ. Доказав это, можно предложить способ определения vОРТ по минимуму потребляемой мощности при постоянных значениях частоты вращения Ω и момента нагрузки MH = Mr и изменяющемся скольжении v. Исходными данными для анализа выберем выражение установившегося вращающего момента АД, полученное в [1]:

под нагрузкой величина отношения r/R изменяется незначительно, как и величина отношения M m /L rЭ при изменении степени насыщения магнитопровода. Это позволяет полагать vОРТ пропорциональными и определить коэффициент пропорциональности экспериментально. В двигательном режиме при постоянных значениях частоты вращения Ω и момента нагрузки MН получены относительные значения мощности, потребляемой АД в двух случаях:

Исследование полученного выражения на экстремум дает две стационарные точки: (8)

Как следует из выражения (8), |vОРТ1|< vOPT = r/LrЭ. Можно предположить, что при нагреве АД

Как видно из полученного результата, уменьшение vОРТ в √1+kr/R = √1,86683 = 1,3663 раз приводит к уменьшению Mr практически в 2 раза. Поэтому при работе в стационарном режиме с v = vОРТ1 необходимо перед началом переходного режима перейти от v = vОРТ1 к v = vОРТ. www.power e.ru

Приводы

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 2. Функциональная схема СЭУ

Поддержание оптимального скольжения Для многих электроприводов, например в системах электродвижения на транспорте, основным режимом работы является установившийся режим с постоянной скоростью и постоянным моментом нагрузки. Поддержание скольжения, оптимального по потреблению энергии, из-за естественного изменения параметров АД требует его непрерывной коррекции.

Эту задачу можно решить с помощью поисковой системы экстремального управления (СЭУ) с запоминанием экстремума показателя качества [3], которым в этом случае является потребляемая АД мощность Р, а регулируемым параметром — абсолютное скольжение v. Функциональная схема СЭУ представлена на рис. 2. В основе действия этой системы лежит следующий принцип поддержания экстремума (минимума) потребляемой мощности. Исполнительный элемент ИЭ принуди-

тельно с малой скоростью изменяет скольжение v — параметр объекта управления (ОУ). Показатель качества — потребляемая АД мощность при этом проходит экстремальное (минимальное) значение, которое фиксируется запоминающим элементом (ЗЭ). Сравнивающий элемент (СЭ) сравнивает текущее значение мощности с запомненным ее минимальным значением. При достижении разностью РЗУ – Р порогового значения δ (δ< 0) логическое устройство (ЛУ) производит реверс ИЭ. Параметр v начинает изменяться в противоположном направлении, и вновь Р возвращается к минимуму и заново запоминается в ЗЭ. При достижении РЗУ – Р порогового значения δ происходит вторичный реверс ИЭ, и цикл работы повторяется. Вследствие этого устанавливается режим автоколебаний относительно экстремальной точки (минимума мощности, потребляемой АД). Часто зависимость показателя качества

Рис. 3. Цифровая модель системы регулирования частоты вращения АД, управляемого токами статора, с системой экстремального управления, поддерживающей минимум мощности, потребляемой двигателем

www.power e.ru

67

Приводы

Силовая электроника, № 3’2020

от настраиваемого на экстремум параметра обладает четной симметрией относительно точки экстремума. При достаточно низкой скорости поиска по сравнению со скоростью процессов в ОУ в СЭУ устанавливаются автоколебания, близкие к симметричным. Размах колебания показателя качества равен модулю порога срабатывания ЛУ. При минимизации полной мощности, потребляемой приводом, представленным на рис. 1, в случае Е = const, достаточно минимизировать постоянную составляющую тока, потребляемого инвертором. Логическое устройство осуществляет изменение направления поиска при каждом достижении РЗУ – Р порогового значения δ. Его логическая функция подобна функции статического триггера в режиме счетного входа. Логическую функцию ЗЭ в аналоговой форме легко реализовать с помощью пикового детектора со сбросом напряжения на конденсаторе до значения входного напряжения ЗЭ в момент срабатывания ЛУ. Разумеется, современные микропроцессоры позволяют программную реализацию СЭУ. При этом проще не запоминать экстремум показателя качества, а оценивать знак его приращения на каждом шаге поиска. Например, при поиске минимума потребляемой мощности направление поиска следует изменять на противоположное, если ее приращение на очередном шаге становится положительным. На рис. 3 над пунктирной разделительной линией представлена цифровая модель системы регулирования частоты вращения АД, управляемого токами статора (рис. 1), построенная в системе Mathlab Simulink. При этом трехфазный регулятор токов статора полагается идеальным управляемым генератором тока [1]. Под разделительной линией расположена цифровая модель шаговой поисковой системы экстремального управления, определяющей и поддерживающей абсолютное скольжение v (частоту токов ротора), соответствующее минимуму мощности Р, потребляемой АД при постоянных скорости Ω и моменте нагрузки МН. Принцип действия ее основан на оценке знака приращения мощ-

ности на выбранном временнóм интервале T при изменении v с малой скоростью dv/dt, осуществляемом исполнительным элементом СЭУ. В модели СЭУ ИЭ представлен интегратором integrator 1. В соответствии с полученным выше выражением (9) текущее значение мощности определяется выражением:

(11)

2 блока умножения product 2, изменяет состояние реле на противоположное. Блок умножения product 3 совместно с генераторами единичного скачка step1 и step2 позволяют включать и отключать управление импульсным элементом ИЭ в заданное время. Короткий импульс в момент времени, когда ΔР принимает положительное значение, получается в модели СЭУ с помощью 2 блоков насыщения saturation 1 и 2 с ограничением отрицательного сигнала на нулевом уровне, усилителя с коэффициентом усиления 400 и дифференцирующей цепочки, представленной звеном Transfer Fcn. Подключение СЭУ осуществляется установкой переключателя Manual Switch в положение 2.

где Процессы в системе при поддержании минимума потребляемой мощности

Для вычисления 1/v в модели СЭУ использована решающая схема с отрицательной обратной связью, состоящая из интегратора integrator 2, блока умножения product 1 и усилителя с коэффициентом усиления 10 4. Дискретные значения Р с интервалом Т определяет фиксатор нулевого порядка Zero-Oder Hold 1. Разность текущего и предыдущего значения Р ΔР и увеличение ее в 10 раз осуществляет дискретная передаточная функция Discrete Transfer Fcn 2. Реверс ИЭ при ΔР > 0 выполняет логическая схема, состоящая из реле Relay 1, фиксатора нулевого порядка Zero-Oder Hold 2, блока умножения product 2 и инерционного элемента Transfer Fcn 2, необходимого для работы замкнутого контура, образованного безынерционными элементами. Фиксатор нулевого порядка запоминает выходной сигнал реле (+1 или –1) с противоположным знаком. При ΔР > 0 короткий положительный импульс, поступающий на вход

Система регулирования частоты вращения АД, дополненная СЭУ, поддерживающей минимум мощности, потребляемой двигателем в стационарном режиме, в общем случае весьма сложна для анализа аналитическими методами. Однако анализ СЭУ довольно просто выполнить, полагая практически безынерционным ее объект управления, то есть систему регулирования частоты вращения АД. Это означает, что при изменении параметра v потребляемая АД мощность изменяется согласно статической характеристике P(v), снятой в установившемся режиме. Допущение выполняется, очевидно, тем более точно, чем быстрее протекают переходные процессы в системе регулирования частоты вращения АД и чем медленнее изменяется v. Во многих реальных случаях такое условие можно выполнить с необходимой точностью. На рис. 4 представлена цифровая модель СЭУ со статическим ОУ, полученным заменой цифровой модели системы регулирования частоты вращения блоком постоянной величины, равной Ω. На модели (рис. 4) проведено имитирование переходного процесса при небольшом начальном отклонении от оптимального

Рис. 4. Цифровая модель СЭУ со статическим ОУ

68

www.power e.ru

Приводы

Силовая электроника, № 3’2020

Рис. 5. Процессы в идеализированной СЭУ в общем случае

Рис. 6. Процессы в идеализированной СЭУ в частном случае

Рис. 7. Влияние реальных свойств ОУ на процессы в СЭУ в общем случае

Рис. 8. Влияние реальных свойств ОУ на процессы в СЭУ в частном случае

www.power e.ru

чения. Уменьшение скорости изменения v позволяет практически исключить влияние изменения v на Ω. Выводы 1. Определено абсолютное скольжение, оптимальное по мощности, потребляемой асинхронным двигателем в системе частотно-токового управления частотой его вращения в стационарном режиме при постоянном моменте нагрузки. Оно зависит только от параметров двигателя.

2. При экспериментальном подтверждении пропорциональности скольжения, оптимального по потребляемой мощности, и скольжения, оптимального по вращающему моменту, можно в переходном режиме, легко заменив первое (v = v ОРТ1 ) на второе (v = vОРТ), получить наибольшее быстродействие системы регулирования скорости АД.

3. Поисковая система экстремального управления позволяет не только определять в системе частотно-токового управления частотой вращения асинхронного двигателя абсолютное скольжение, оптимальное по потребляемой им мощности, но и поддерживать минимальную потребляемую мощность при изменении параметров двигателя.

Литература 1. Коршунов А. И. Алгоритм частотнотокового управления асинхронным двигателем в замкнутом электроприводе // Силовая электроника. 2019. № 3.

2. Коршунов А.И. Математическая модель асинхронного трехфазного двигателя с фазным ротором, не использующая понятие вращающегося магнитного поля // Силовая электроника. 2019. № 6.

3. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 3. Теория нестационарных, нелинейных и самонастраивающихся систем. Часть II. Под. ред. Солодовникова В. В. М.: Машиностроение, 1969.

реклама

значения v. При подходе к оптимальному значению v в СЭУ устанавливаются автоколебания с периодом, равным 4T, где T = 20 с — интервал дискретности, (|dv/dt| = 0,00125 рад/с/с), представленные на рис. 5. В частном случае, если момент первого достижения минимального значения Р совпадает с моментом дискретизации, период автоколебаний Р оказывается вдвое меньше, как показано на рис. 6. Очевидно, что максимальное отклонение P от минимального значения в установившемся режиме может иметь значение от (Tdv/dt)2 до 4K(Tdv/dt) 2 , если вблизи экстремума P – P min = K(v – v OPT1 ) 2 с хорошей точностью. В реальных условиях даже медленное изменение v и периодическая смена направления сопровождается отклонением процесса в системе регулирования частоты вращения АД от стационарного, соответствующего постоянному значению v. Следовательно, процесс в действительности отличается от идеализированного процесса, представленного на рис. 5 и 6. Моделирование по модели, представленной на рис. 3, позволяет учесть взаимное влияние СЭУ и системы регулирования частоты вращения АД. Основное отличие проявляется в моменты реверса v и периодическом изменении Pmin (кривая 5(Р–С) на рис. 7 и 8). Вызвано это малым периодическим отклонением частоты вращения АД Ω от постоянного зна-

69

Силовая электроника, № 3’2020

Системы индукционного нагрева

Установка индукционного нагрева ТВЧ для закалки шестерни В статье представлена новая установка индукционного нагрева ТВЧ для закалки шестерни. Показан магнитный концентратор индуктора с шаблоном зуба индукционного нагрева преобразователя «ПЕТРА».

Дарья Мамаева

darya.mamaeva.95@mail.ru Юрий Зинин Юрий Ройзман

Введение НКВП «ПЕТРА» (рис. 1), представитель уфимской школы силовой электроники, — компания с двадцатилетней историей, имеющая многолетний опыт внедрения своей продукции на предприятиях машиностроения, атомной, химической, нефтяной промышленностей России. Это коллектив разработчиков, конструкторов, наладчиков. Производственные площади предприятия НКВП «ПЕТРА» расположены в Уфе. Сегодня предприятие выполняет разработку и производство преобразователей частоты. Это позволяет эффективно использовать новые технологии. Преобразователи повышенной частоты, разработанные НКВП «ПЕТРА», — это наиболее ответственная и технически сложная часть индукционной установки. НКВП «ПЕТРА» постоянно совершенствует преобразователи для индукционного нагрева ТВЧ [1].

Рис. 1. Общий вид предприятия и товарный знак «ПЕТРА»

70

Предприятием разработаны компактные и эффективные установки индукционного нагрева типа «ПЕТРА». Товарный знак «ПЕТРА» зарегистрирован в Государственном реестре и защищен свидетельством Роспатента № 105331 [2]. Установка для закалки крупномодульной шестерни Малогабаритные установки индукционного нагрева ТВЧ «ПЕТРА» используются во многих отраслях промышленности для осуществления эффективных технологических процессов электротермической обработки изделий. Индукционные установки служат для закалки крупномодульных шестерен. Закалка сталей токами высокой частоты (ТВЧ) осуществляется для поверхностной термической обработки, позволяющей повысить твердость поверхности детали. Она применяется для деталей из углеродистых и конструкционных сталей. Индукционная закалка ТВЧ является экономичным и технологичным способом упрочнения. Она дает возможность закалить как всю поверхность детали, так и отдельные ее элементы или зоны, которые испытывают основную нагрузку изделия. В машиностроении принято малое зубчатое колесо называть шестерней, а большое иногда именуют колесом. Важнейшие параметры зубчатых колес — модуль, высота зуба, шаг, число зубьев, диаметр окружности выступов. На рис. 2 представлена закалочная установка для индукционного нагрева ТВЧ. Индукционная установка с шестерней включает в себя: • преобразователь типа «ПЕТРА-0132»; • трансформатор выходной; • систему охлаждения; • выносной пульт управления. Широкие функциональные и сервисные возможности установки показывают цифровая система управления и удобный пульт управления, блок силовых печных конденсаторов установки, выходной www.power e.ru

Силовая электроника, № 3’2020

Системы индукционного нагрева

трансформатор ВЧ и индуктор для охлаждения технической воды от градирни. Установка индукционная для ТВЧ-закалки крупномодульных шестерен (зубчатых колес) обеспечивает автоматическую термообработку рабочей поверхности шестерни методом «впадина за впадиной». Установка применяется для индукционной поверхностной закалки модуля от 8 мм и выше [3–6]. На индукционной установке обрабатываются зубчатые колеса, получаемая глубина закаленного слоя составляет примерно 1,6 мм. ТВЧ с концентратором осуществляется поверхностная закалка зуба, сердцевина зуба остается «сырой» [2]. Закалка косозубой шестерни Установка автоматизирована для закалки токами высокой частоты шестерни большого модуля (m = 8 и более). Питание установки производится от транзисторного преобразователя частоты «ПЕТРА-0132» мощностью 160 кВт, частотой 8 кГц. Охлаждение установки и закаливаемой детали производится собственной двухконтурной системой охлаждения. Автоматизированная установка ТВЧ показана на рис. 3. Установка обеспечивает автоматизированную закалку шестерни после ее установки на закалочный стол. Время закалки одной впадины для шестерни высотой 110 мм составляет 11 с при заданной глубине закаленного слоя 3–4 мм. Время цикла для одной впадины около 40 с. Все технологические параметры вводятся технологом с сенсорной панели управления и активируются оператором из памяти микропроцессора. В автоматическом режиме шестерня обрабатывается около 1 ч, операция выполняется с помощью модуля 10, имеющего диаметр 1000 мм. Процесс термообработки крупномодульной косозубой шестерни производится по впадине методом «впадина за впадиной». Шестерня (зубчатое колесо) устанавливается на поворотный стол закалочного механизма, обрабатываемая впадина ориентируется относительно индуктора, и индуктор вводится во впадину. В процессе закалки индуктор, одновременно со спреером (душем), перемещается вдоль впадины. При этом последовательно производится нагрев зоны поверхности детали под индуктором и охлаждение ее в спреере при выходе из-под индуктора. Цикл закалки производится автоматически. Мощность индуктора и скорость перемещения индуктора относительно шестерни заранее устанавливаются технологами цеха, на этапе отработки технологии. По завершении обработки индуктор выводится из впадины и производится поворот шестерни на один шаг. Затем цикл термообработки повторяется.

Рис. 2. Закалочная установка индукционного нагрева ТВЧ

зуба остается «сырой». Высокая повторяемость качества закаленного слоя достигается за счет автоматизации процесса и стабилизации тока индуктора. Автокомпенсация изменения зазора «детальиндуктор» осуществляется током индуктора. Одновитковый индуктор обладает большой механической прочностью, он настроен на небольшое действующее напряжение 20–50 В и обеспечивает протекание большого тока высокой частоты 3–5 кА. Согласующий трансформатор подключается через индукторы с индуктивностью 0,2–1,8 мкГн. Одновитковый индуктор разогревает металл зуба колеса «настилом» высокочастотного

тока, нагретый слой металла выходит из зоны нагрева, интенсивно охлаждается спреером, при этом сохраняет пластичность в глубине зуба, а поверхность зуба приобретает требуемую прочность [7, 8]. Для закалки зубчатых колес большого диаметра используется метод поверхностной закалки зуба путем перемещения индуктора во впадине между рабочими поверхностями двух соседних зубьев. Индуктор нагревается ТВЧ, а затем от спреера снизу вверх перемещается вдоль зуба колеса. Автоматизация процесса и стабилизация тока индуктора обеспечивают повторяемость качества закаленного слоя колеса. Широкие

Магнитный концентратор индуктора с шаблоном зуба Обеспечивается равномерный закаленный слой поверхности зуба и впадины, сердцевина www.power e.ru

Рис. 3. Автоматизированная установка ТВЧ

71

Силовая электроника, № 3’2020

Системы индукционного нагрева

функциональные и сервисные возможности установки поддерживает цифровая система управления. Установка зубчатого колеса больших габаритов и массы, вращение колеса, его подъем и снятие выполняются тельфером. На рис. 4 показан магнитный концентратор индуктора с шаблоном зуба. Индуктор изолирован от питающей сети установки и заземлен с магнитным концентратором, выделяет номинальную мощность в индукторе зуба колеса. Эффективная работа подтверждает надежность электротермической установки. Литература 1. Научно-конструкторское предприятие «Петра» www.nkvp-petra.ru.

2. Зинин Ю. М., Ветошкин А. В., Ройзман Ю. П. Патент № 2215361 «Мостовой инвертор». Государственный реестр изобретений РФ.

3. Зинин Ю., Мамаева Д. Установка электротермическая с полупроводниковым преобразователем повышенной частоты ППЧ160-2.4 // Силовая электроника. 2017. № 2.

4. Мамаева Д., Зинин Ю., Ройзман Ю. Разработка транзисторного преобразователя частоты «ПЕТРА-0132» для вакуумных установок индукционного нагрева // Силовая электроника. 2018. № 1.

5. Зинин Ю., Ройзман Ю., Кашлаков С., Мамаева Д. Индукционная установка «ПЕТРА-501» для нагрева ТВЧ в кольцевом индукторе для закалки шестерен // Силовая электроника. 2019. № 1.

Рис. 4. Магнитный концентратор

6. Мамаева Д., Зинин Ю., Ройзман Ю., Куземский В. Транзисторный преобразователь частоты типа «ПЕТРА-0141» мощностью 250–800 кВт индукционных плавильных установок типа ИСТ для теплообменной станции «ПЕТРА-0395» // Силовая электроника. 2018. № 2.

7. Зинин Ю., Ройзман Ю., Кашлаков С., Мамаева Д. Преобразователь частоты типа

«ПЕТРА-0133» для индукционного нагрева со встроенной теплообменной станцией // Силовая электроника. 2019. № 5.

8. Мамаева Д., Зинин Ю., Ройзман Ю. Преобразователь частоты со встроенной теплообменной станцией тип «ПЕТРА-0133» и разработка малогабаритных закалочных трансформаторов ТВЧ // Силовая электроника. 2018. № 3.

Компания Traco Electronic начала производство TEA — бюджетного семейства 1 Вт DC/DC преобразователей

Компания Traco Electronic объявила о выпуске бюджетного семейства DC/DC-преобразователей TEA. Семейство представлено тремя типами изолированных DC/DC-преобразователей без стабилизации выходного напряжения. Устройства семейства мощностью 1 Вт выполнены в корпусах SIP и разработаны для приложений, требующих недорогих, но очень качественных и надежных

72

решений. При проектировании преобразователей семейства TEA инженеры Traco Electronic в первую очередь сфокусировали внимание на простом, но эффективном решении, для производства которого требуется минимальное количество компонентов, малые трудозатраты, а также полная автоматизация производственного процесса, что позволило без потерь в качестве максимально уменьшить себестоимость продукта. Широкий диапазон рабочих температур –40…+85 °C без снижения номинальных характеристик и наличие электрической изоляции вход/выход 1500 или 4000 В напряжения постоянного тока позволяют использовать семейство TEA в самом широком спектре приложений во многих областях техники. Доступность этих DC/DC-преобразователей в разных корпусах еще более расширяет спектр их применения и делает преобразователи семейства TEA отличным выбором для любых приложений, где цена и занимаемое пространство являются критически важными факторами. Семейство изолированных DC/DC-преобразователей TEA опти-

мально для крупных проектов преимущественно систем распределенного питания технологии PoL (питание в нагрузку), требующих простого, надежного и одновременно недорогого изолированного DC/DC-преобразователя малой мощности. Основные характеристики и преимущества: • мощность: 1 Вт; • высокое качество при низкой стоимости; • электрическая прочность изоляции ввод/вывод: 1500 или 4000 В (зависит от серии); • диапазон рабочих температур: –40…+85 °C с ухудшением характеристик не более 5%; • максимальная рабочая температура среды: +95 °C (корпуса: +105 °C); • выходная емкость: до 1000 мкФ; • входной фильтр: внутренний конденсатор; • емкость по изоляции: 30 пФ; • минимальная нагрузка: не требуется; • рекомендован входной предохранитель на 500 мА; • гарантия от изготовителя: 3 года.

www.tracopower.com

www.power e.ru

реклама

реклама